EP2759813B1 - Method and sensor for measuring the fill level of layered media - Google Patents

Method and sensor for measuring the fill level of layered media Download PDF

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EP2759813B1
EP2759813B1 EP13152618.8A EP13152618A EP2759813B1 EP 2759813 B1 EP2759813 B1 EP 2759813B1 EP 13152618 A EP13152618 A EP 13152618A EP 2759813 B1 EP2759813 B1 EP 2759813B1
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EP
European Patent Office
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medium
signal
signal curve
container
probe
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EP13152618.8A
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EP2759813A1 (en
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Thomas Weber
Stefan Schweiger
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Sick AG
Original Assignee
Sick AG
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Publication date
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Priority to CN201410031100.0A priority patent/CN103968916B/en
Priority to KR1020140009787A priority patent/KR101568294B1/en
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/26Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring depth
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284Electromagnetic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/28Measuring attenuation, gain, phase shift or derived characteristics of electric four pole networks, i.e. two-port networks; Measuring transient response

Definitions

  • the invention relates to a method for level measurement in a container having a first medium and at least one second medium arranged above, in particular a foam layer, according to the preamble of claim 1 and a trained for this method sensor.
  • a known method for level measurement is based on sending an electromagnetic signal into the container with the level to be measured and to evaluate the reflected signal.
  • One way is to radiate the signal freely, as happens with the radar.
  • the Time Domain Reflectometry (TDR) method is often preferred. It is based on the determination of transit times of an electromagnetic signal to determine the distance of a discontinuity of the line resistance.
  • the difference to the radar is that the electromagnetic waves are not emitted to the outside, but are guided along a conductor.
  • the conductor is designed as a monosonde or coaxial probe which is inserted vertically or obliquely into the tank and extends as close as possible to the bottom in order to cover the full measuring range.
  • a very short electrical transmit pulse is fed into the conductor and passes through it towards the opposite end. If the impulse hits an impurity, which is equivalent to a change in the local characteristic impedance, part of the transmission energy is reflected back to the line input. From the transit time between the transmission of the transmitted pulse and the reception of the reflection, the position of the defect can be calculated in a location-specific manner.
  • An important example of an impurity is an interface that separates two spatial regions with different physical or chemical properties, such as an interface between two media.
  • the course of the received signal is sampled and fed to a digital evaluation.
  • a digital evaluation for example, local extreme points are searched in the waveform and their temporal location associated with a reflection at an interface.
  • a conventional evaluation algorithm which is designed only for the detection of individual reflection signals, so can not handle such measurement situations.
  • a possible way out might be to increase the bandwidth of the transmit pulse.
  • echo pulses that result from boundary layers located close to one another are rather separated.
  • the demands on the electronics design such as the sampling rate and the subsequent signal acquisition, are also becoming more stringent.
  • the attenuation in a monoprobe by the skin effect increases sharply, so that the signal-to-noise ratio can be insufficient.
  • an increase in bandwidth does not yet solve the problem of distinguishing the echoes of foam and medium, thus ensuring that the foam level is not output as the level of the medium, a falsified level of the medium or, in the worst case, no measured value.
  • Another way out might be to use a coaxial probe instead of a monaural probe.
  • This can improve the resistance to foam because the echoes are mainly caused by variations in the field space within the coaxial tube.
  • By an advantageous embodiment of the coaxial tube with only small openings it is possible to minimize the ingress of foam into the tube.
  • the possible uses are limited as compared to a monoprobe, since portions of the medium to be measured can be deposited in the coaxial tube. This can affect the availability of the sensor. In applications with hygiene requirements, the use is not possible.
  • the level of the foam itself can not be determined in this way.
  • the EP 2 365 302 A1 describes a method in which the distance to an interface and the relative dielectric constant of the interface-generating medium are detected a first time from a transition pulse at the transition of the probe into the container and the echo at the interface and a second time from an artifact pulse from the end of the probe is determined. If these measurements are not consistent with each other, the presence of a further boundary layer is concluded and the method is applied iteratively to the further boundary layer until all fill levels have been measured. This requires accurate information of the two reference pulses, ie the transition pulse from the beginning and the artifact pulse from the end of the probe. In order to achieve sufficient accuracy here, high demands are placed on the electronics, which lead to corresponding production costs.
  • the DE 100 51 151 A1 Figure 11 shows a TDR method for determining the positions of upper and lower interfaces of a first liquid floating on a second liquid of a container.
  • a reference feedback pulse which is used in the DE 100 51 151 A1 is referred to as a reference feedback pulse. This has the above-described significant disadvantages.
  • the US 5,723,979 A discloses a TDR level sensor for measurement in liquid mixtures. Only a probe shape is described. An evaluation method, certainly a determination of the distance to several boundary layers, is not described.
  • twin pulses at double interfaces are separated by a TDR sensor based on the slope behavior of the waveform.
  • the dielectric constants and layer thicknesses of superimposed products are determined from the amplitude ratio of an echo curve of a pulse radar.
  • the post-published DE 10 2012 101 725 identifies in a signal curve of a TDR level sensor based on amplitude expectation values a first measuring pulse and a second measuring pulse, which arise at an interface with the medium to be measured or an interference or foam layer located above it.
  • the expected values are in particular calculated from a known relative dielectric constant of the medium and a reference amplitude of an artefact pulse arising at the probe end when the container is empty.
  • the DE 10 2005 063 079 A1 discloses a method for detecting and monitoring a level of a medium in a container.
  • a microwave signal is radiated into the container and evaluated the resulting echo function.
  • the method is intended and suitable for processing an uneven surface of the medium, for example by means of bulk material formation, where a plurality of wanted echo signals are produced in the echo function due to the unevennesses.
  • a group area of the useful echo signals is then identified and the measuring position determined as the centroid of the group area. This should represent a mean filling level.
  • This object is achieved by a method for level measurement in a container having a first medium and at least one second medium arranged thereon according to claim 1 and a sensor designed according to this method according to claim 15.
  • the invention is based on the basic idea of not only evaluating the signal profile of a signal reflected in the container at the point where a border crossing is located, but also integrating the signal course from a reference position of the probe. This results in an integrated signal curve, which itself is a function of that probe position up to which each was integrated, or a function of the time monotonically connected with the probe position. As it were, the history of the signal components reflected before the border crossing is taken into account.
  • the waveform is preferably a discretely sampled time series of amplitude values of the reception intensity of the transmission signal reflected in the container, for example a microwave signal.
  • integration here is forming a summarized measure of the waveform to a point of view understood.
  • the discrete samples are added up. This corresponds to an approximation of the integral by a step function.
  • more precise integration methods such as the trapezoidal method or the Runge-Kutta method, are also conceivable.
  • the invention has the advantage that a measurement up to the surface of a certain medium is also made possible if further media or interference layers such as foam are lying over it. By integrating, this is completely independent of the actual waveform and in particular of how well pulses can be identified in the waveform. Likewise, individual amplitude values of the waveform are not compared to thresholds or the like where there would always be large dependencies on hard-to-control constraints. As a result, the measurement becomes extremely robust and evaluates even signal waveforms meaningful in which no pulses are recognizable. Layers above the medium to be measured may even be inherently inhomogeneous, as in some cases of foam, which practically forms a multiplicity of boundary transitions between foam layers of different density. In contrast to the prior art, the invention makes it possible to practically use TDR sensors for foam measurement at all.
  • the reference position is preferably a probe start. This is not necessarily the physical probe start, for example, when a probe is bolted inside the sensor head, but at the beginning of the desired fill level measurement range. In the course of the signal, this reference position can be detected, for example, on a pulse that arises almost inevitably in the transition from sensor head to probe. However, the reference position can also be derived from structural properties of the sensor or calibrated ex works or at the site.
  • the signal transit time is preferably summed from signal travel time intervals which take into account a delay of the signal propagation at the probe position belonging to a respective signal delay time interval by a correction with the signal waveform integrated up to this respective probe position.
  • the transmission signal penetrating into the second medium is delayed by the higher relative dielectric constant there compared with air. This should be in the conversion of the signal delay be compensated in an equivalent signal path for the determination of a distance of the border crossing and thus the level.
  • the dielectric constant is regularly unknown or, in the case of inhomogeneous foam, it changes in extreme cases from sample point to sample point of the signal curve. Therefore, in this preferred embodiment, a time adjustment is made.
  • the dielectric constant acting on the respectively considered probe position is estimated with the aid of the previously integrated signal curve in order to take into account the signal components reflected up to this probe position.
  • an environmental constant dependent on the specific wave propagation in the container preferably additionally an environmental constant dependent on the specific wave propagation in the container.
  • the specific environment of the probe which is essentially determined by the container, especially its geometry, likewise influences the signal course. This applies more to a single-probe.
  • an environmental constant is determined or established. The time adjustment thus takes into account at least two influencing variables, namely the integrated signal curve and the ambient constant.
  • the environmental constant is preferably determined in a calibration measurement in the case of an empty container, in which an integral of the signal curve is formed over a region of an artifact pulse arising at the probe end. At the end of the probe, the signal energy remaining after reflections at the various border crossings is reflected. When the container is empty, this is practically the entire signal, resulting in a pronounced pulse.
  • the pulse is well manageable or automatically identifiable and, moreover, is located at a fixed time position determined by the probe length, since there are no signal delays due to air deviating relative dielectric constants when the container is empty.
  • the border crossing is preferably detected by a comparison of the integrated signal curve with a threshold value.
  • the signal progression from a time corresponding to the reference position is successively integrated up to an always considered time until the integrated signal waveform exceeds the threshold.
  • the most recently considered time is considered as belonging to the position of the wanted border crossing and converted into a level. In this way, a very simple method is given to determine the border crossing stable and completely independent of the shape of the waveform, ie in particular regardless of whether can be identified in the waveform pulses.
  • the signal curve is preferably integrated a second time, but the second integration is based instead of the signal curve itself on its absolute value or the pointwise squared signal curve.
  • the signal curve can also assume negative values. This happens, for example, when denser foam is above loose foam. Another example is an air bubble in a coaxial probe.
  • Negative components in the signal curve also correspond to reflected transmission energy. Since the threshold measures how much transmission energy has already been lost due to reflections above a considered probe position, the sign should be ignored. This is done by taking the absolute value or squaring, the latter giving the physically correct measure of the energy. Other derived quantities instead of an absolute amount or pointwise squaring are conceivable.
  • the border crossing is preferably detected in an iterative method, which integrates the signal profile in steps predetermined by the sampling rate of the signal waveform from the reference position to a termination criterion, namely whether the signal waveform integrated up to the respective step or a corresponding integral of the absolute value of the signal waveform or of the Pointwise squared waveform exceeds the threshold.
  • an iterative method is easily implementable in an algorithm for digital processing.
  • the signal propagation time to be determined is preferably initially set to zero and incremented in each step by an increment calculated as a quotient whose counter is the sum of the environmental constant and the integrated waveform and whose denominator is the difference between the environmental constant and the integrated waveform is formed. This is done in an iterative manner a time adjustment in order to compensate for the fact that time intervals in the signal curve do not directly correspond to signal propagation paths, but that a signal delay through a relative dielectric constant deviating from air occurs here within a medium. With the given calculation for the increment, this dielectric constant is estimated at each position.
  • the threshold value is preferably determined by a calibration measurement, in which only the first medium is in the container and a threshold integral of the signal profile is formed in the region of an echo signal at the border crossing to the first medium.
  • This is a simple method to determine a suitable threshold under controlled conditions, namely without interfering second medium. This ensures that a pronounced, easily recognizable and measurable medium pulse is formed, via which the threshold integral is integrated.
  • Integral means a summary measure of the waveform in the considered range, to which the individual values of the waveform contribute. Such a measure can be determined, for example, by numerical integration, which can simply consist in summing up the values of the signal curve.
  • the threshold is preferably set to 90% to 110% of the threshold integral to detect the border crossing to the first medium.
  • the threshold is thus almost or completely equated with the threshold integral.
  • a certain relief from an identity makes sense, with a value below 100% ensuring that the threshold is indeed exceeded, even under the influence of noise, and thus a measured value is generated, which may underestimate the distance of the border crossing somewhat. Conversely, a value above 100% overestimates this distance and thus prevents a level value from being erroneously output within the upper, second medium.
  • the threshold value may preferably also be set to 5% to 30% of the threshold integral in order to detect the limit over all of the second medium.
  • This threshold should therefore be close to zero and only be so large that not even noise is detected as a border crossing.
  • the uppermost border crossing ie the level of the second medium and in particular the foam surface is measured.
  • the threshold it is also conceivable to set the threshold to both near 100% and slightly above zero, i. effectively use two thresholds. As a result, the uppermost border crossing to the second medium is measured and the border crossing to the first medium is measured. So you get both levels and thus the thickness of the layer of the second medium or the foam layer.
  • the border crossing to the second medium is preferably recognized by the fact that the integrated signal curve systematically differs from zero from the border crossing. As soon as the integrated waveform differs from zero, there was a first signal reflection, so at this point the signal has entered the uppermost medium. However, it is practically not enough just to compare with zero, as this is also due to noise effects. However, if one looks at the integrated signal curve over a larger range, it can be seen whether the deviation from zero is due systematically or only to the noise.
  • This procedure is an alternative to a threshold value method, whereby both methods can be used and mutually plausibilized or the results can be offset against each other.
  • the waveform, the integrated waveform and / or the threshold are preferably scaled by a drift correction value.
  • An important cause of drift is the temperature.
  • the drift correction value is determined, for example, by comparing a transition pulse at the start of the probe or the transmit pulse itself with a previously learned reference transition pulse. This transition pulse is largely independent of the level, so that its changes can be attributed to drifts. It is then assumed that such drifts scale the transient pulse to the same extent as the rest of the waveform.
  • the signal curve is preferably rescaled with a level-dependent amplitude characteristic.
  • a level-dependent amplitude characteristic In the upper measuring range, multiple reflections result, in which signal portions returning from a medium surface to the probe start are reflected again into the container. This can be repeated several times. In this way, the actual transmit pulse is transmitted directly and superimposed on these additional daughter pulses, which weaken further with each multiple reflection. The result is higher amplitudes in the upper measuring range. It is possible to model this effect or to measure it at different fill levels and in this way to determine a fill level-dependent amplitude characteristic which, as a function of a fill level, contains the signal increase due to multiple reflections as a factor.
  • This amplitude characteristic will be higher than one in the upper measurement range and then drop to one at levels where these multiple reflections are no longer relevant, and even drop below unity at longer distances because of attenuation. By rescaling the waveform with the amplitude characteristic of this disturbing effect is compensated.
  • FIG. 1 schematically shows a TDR sensor 10, which is mounted as a level sensor in a tank or container 12 with a liquid or generally a medium 14.
  • a second medium for example foam in different consistency, or an oil layer as the second medium 16 on water as the actual medium 14.
  • the relative permittivity or relative dielectric constant ⁇ r 2 in the second medium corresponds neither to air nor to the medium 14 and may vary within the second medium 16 at different elevations.
  • the medium 14 forms a first boundary surface 18 or a first boundary junction with respect to the second medium 16, and the second medium 16 forms a second boundary surface 20 with respect to the air located above.
  • the sensor 10 is designed to determine the distance to at least one of the interfaces 20, 22 and to derive from its known mounting position the level and if necessary based on the geometry of the container 12 and the amount of the medium 14 and the second medium 16.
  • the basic procedure corresponds to the initially described and known TDR method, but differs in the still to be explained improved evaluation.
  • the design of the sensor 10 as a liquid level sensor is a very important field of application, the sensor 10 can in principle also be used for other media. In particular, bulk or granules are to be considered.
  • the sensor 10 has a sensor head 24 with a controller 26, which is preferably accommodated on a common board. Alternatively, several circuit boards or flexprint carriers connected via plugs are conceivable.
  • a probe 28 is connected, which is designed here as an open monoprobe and so among other has the advantage that it can be easily cleaned for applications in the field of hygiene.
  • the probe 28 may also be a coaxial probe.
  • the provided in the sensor head 24 controller 26 and its board is in FIG. 2 shown in a block diagram.
  • the actual control and evaluation unit 30 is implemented on a digital building block, for example a microprocessor, ASIC, FPGA or a similar digital logic device as well as a combination of several such devices.
  • a signal preferably a pulse
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGA field-programmable gate array
  • a signal is applied to the probe 28 via a microwave transmitter 32 and the transit time of the reflex pulse generated at an interface 18, 20 and received in a microwave receiver 34 is measured by the distance of the interface 18, 20 and thus to determine the level in the container 12.
  • the received signal of the microwave receiver 34 is digitized for evaluation after amplification in an amplifier 36 with a digital / analog converter 38.
  • FIG. 3 shows for illustrative purposes a schematic signal course with well separated measuring pulses 40, 42 at the interfaces 18, 20.
  • conventional evaluations could easily locate the measuring pulses 40, 42. Difficulties arise when the measuring pulses 40, 42 run into each other.
  • the problem of detecting measuring pulses 40, 42 becomes inextricable when the second medium 16 is inherently inhomogeneous and thus generates a multiplicity of overlapping pulses of unknown number.
  • the signal curve also contains further pulses, namely a transition pulse 44 at the beginning of the probe in the transition between the sensor head 24 and the probe 28 and the transmit pulse 46 itself. Further to the right and no longer shown, an artifact pulse is still generated at the end of the probe where, after the reflections at the interfaces 18, 20 remaining residual energy of the transmission signal is reflected.
  • the amplitudes of the reflections in the signal path are a measure of the impedance change in the container 12 and thus also a measure of the change in the relative dielectric constants at a respective boundary layer 18, 20.
  • the magnitude of a pulse in the signal curve depends on this change in the dielectric constant and the signal energy lost due to reflections already made above. The shape of the respective reflected pulse is retained, the pulses differ only in their height.
  • the dielectric constants are either lacking knowledge via the media 14, 16 or, for example, in the case of an inhomogeneous foam with density varying over the height, in principle not known in advance in advance.
  • the amplitude A 1 of the measuring pulse 40 can be determined by the first medium 14, the associated dielectric constant ⁇ r 1 can be calculated.
  • a continuous transition of the wave impedance within the second medium 16 from the wave impedance of the air to the wave impedance of the first medium 14 results in a multiplicity of overlapping pulses.
  • a single pulse evaluation as in FIG. 3 is then no longer possible, just as ⁇ r 1 can not be calculated from A 1 and A end .
  • integrals via the signal curve S and corresponding integrals via the artifact pulse or further integrals which are determined as parameters in a controlled situation, for example when the container is empty or in the case of a container without a second medium 16.
  • the location in the waveform S is located where as much signal energy has been reflected as in a comparison situation without the second medium 16, and this location is recognized as the first interface 18.
  • the delay through the second medium 16 should preferably be taken into account when converting the signal propagation time into a path.
  • the first step will be to prepare in analogy to the DE 10 2012 101 725 measure the artifact pulse from the probe end when the container 12 is empty in order to detect the environmental influences of the specific installation situation of the TDR sensor 10.
  • its amplitude is not determined, but the integral I end is formed over the signal curve S in the region of the artifact pulse, but here, as stated above, there is a proportionality relationship.
  • the container 12 is filled only with the first medium 14 and ensured that no foam as a second medium 16 is formed or this has dissolved.
  • this controlled environment is ensures that a clearly detectable measuring pulse 40 or medium pulse is generated at the first interface 18.
  • the integral I medium is formed. This measurement is carried out primarily to compensate for the different influences of the dielectric constant ⁇ r 1 of the first medium 14 and therefore could alternatively be replaced by a default or independent measurement of the dielectric constant ⁇ r 1 , for example by subsequent calculation of I medium on the basis of the known Pulse shape s ( t ).
  • the found t now corresponds to a signal transit time, which is composed of contributions of signal paths in air, in the second medium 16 and possibly also portions in the first medium 14. Therefore, levels are systematically underestimated unless the equivalent path is corrected by time adjustment based on the different wave propagation velocities.
  • Such a time adaptation is possible using the integrated signal waveform I S and becomes even more accurate if, in addition, the environmental influences are taken into account, for example, by I end .
  • the signal curve S is typically present as a time series S [ i ] of discrete samples. Therefore, in a preferred embodiment, it is advisable to perform the evaluations iteratively and to calculate the integrated signal waveform I S and the time adaptation step by step. For this purpose, initially all values are initialized to zero and then, starting from the beginning of the measuring range at t 0, iteratively adjusted step by step for the subsequent scans. The termination criterion is when I S reaches a threshold K ⁇ I medium derived from the reference value I medium .
  • I end as the artifact pulse itself is negative.
  • the correction value for the time adjustment should I end + I S I end - I S preferably be checked whether it is in the interval [0,1 ... 1], otherwise it would be implausible.
  • the result is the signal propagation time t , already corrected for the different signal propagation velocities in the media 14, 16, the units of which are sampling steps.
  • the sampling rate is known, so that this can be directly converted into an absolute runtime and by means of the vacuum light speed c 0 in a distance.
  • the constant is calculated beforehand, which makes this conversion of signal propagation time in sampling steps in a distance by simple multiplication.
  • the termination condition should preferably be based on its absolute value or square instead of on the signed waveform S.
  • a second integral I stop is introduced, which sums up the absolute value or in a very analogous manner the square or a similar suitable moment.
  • the integration is carried out in the simplest way by adding up the values of the signal curve S.
  • the invention also includes other methods of numerical integration.
  • the concrete formula for the Time adjustment interchangeable.
  • the integrated signal course is preferably also used, because this takes into account the signal energy lost above the time point considered in the respective iteration step by reflection.
  • the environmental influences can also be taken into account differently than via the artifact pulse by I End , in particular by using a different pulse such as the transition pulse 44 or other information from the signal curve S.
  • the waveform S can still be corrected in various ways.
  • a rescaling to compensate drifts in particular a temperature compensation, for example, by the transition pulse 44 at the start of the probe or the transmission pulse 46 is compared with a reference to estimate the drift influences.
  • Another way of compensating is to correct the waveform by an amplitude characteristic. Because the waveform S is excessive for small times corresponding to the upper portion of the container, because multiple reflections between the probe start and interface 18, 20 occur. This influence can be determined in advance and expressed in position- or time-dependent superelevation factors, which are then compensated by the amplitude characteristic. This too is in the DE 10 2012 101 725 explained in more detail, to which reference is made.
  • FIGS. 4 to 7 be illustrated as a medium 16 using the example of various foam layers.
  • FIG. 4 shows in the upper part of the waveform S with marking of the border crossing 18 detected to the first medium 14 time point, in one example of a container 12 with a liquid as the first medium 14 and an overlying thick foam layer as the second medium sixteenth
  • the gray area under the waveform S of the upper part of FIG. 4 gradually integrated.
  • a threshold shown as a thin gray line whereupon the evaluation detects the first interface 18.
  • This threshold is in several embodiments in K ⁇ I medium .
  • the dashed line corresponds to the total energy of the transmission pulse and can be exceeded at the earliest at the end of the probe
  • the dashed line corresponds to the undisturbed wave propagation in air at maximum speed c 0 .
  • the correction factor I end + I S I end - I S The adjusted time required for the equivalent path propagation increases more slowly, as shown by a solid line.
  • FIG. 5 shows quite another example of a container 12 with a liquid as the first medium 14 and a thinner foam layer arranged above it as the second medium 16, whose density increases continuously.
  • the foam layer again has a different consistency and thickness.
  • FIG. 7 shows a case in which only foam is the only medium 14, 16 in the container 12.
  • the threshold is exceeded here only very far back, depending on the setting of K only for values that would correspond to a negative level and therefore allow the conclusion that no medium 14 is present in the container 12.
  • a conventional algorithm would have recognized the pronounced first pulse or one of the two daughter pulses and output the corresponding much too high level, despite the fact that the container was empty except for the foam.
  • the fill level of the second medium 16 is to be determined, then this can be achieved by selecting a K close to zero according to the above.
  • the second interface 20 is, however, also be seen that the integrated waveform I S systematically different from zero. This is in each case in the middle part of the FIGS. 4 to 7 recognizable.
  • the adjusted time in the lower part of the FIGS. 4 to 7 For the first time systematically from the line of origin of the uncompensated time.
  • systematic deviation it is meant here that a slight deviation is not yet to be evaluated on the basis of noise influences alone. This can be distinguished, for example, with the aid of a smoothing filter.
  • the invention has been described for a level measurement of a medium 14 with an overlying layer of a second medium 16.
  • a level of a medium is measured when there is no further layer over it.
  • a generalization of the method to non-guided waves, ie a sensor 10 without a probe 28 such as a radar sensor, is also conceivable in principle.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstandsmessung in einem Behälter mit einem ersten Medium und mindestens einem darüber angeordneten zweiten Medium, insbesondere einer Schaumschicht, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen für dieses Verfahren ausgebildeten Sensor.The invention relates to a method for level measurement in a container having a first medium and at least one second medium arranged above, in particular a foam layer, according to the preamble of claim 1 and a trained for this method sensor.

Ein bekanntes Verfahren zur Füllstandsmessung beruht darauf, ein elektromagnetisches Signal in den Behälter mit dem zu vermessenden Füllstand zu senden und das reflektierte Signal auszuwerten. Eine Möglichkeit ist, das Signal frei abzustrahlen, wie dies beim Radar geschieht. Wegen der unkontrollierten Wellenausbreitung wird häufig das Verfahren der Zeitbereichsreflektometrie (TDR, Time Domain Reflectometry) bevorzugt. Es basiert auf der Bestimmung von Laufzeiten eines elektromagnetischen Signals, um den Abstand einer Diskontinuität des Leitungswellenwiderstandes zu ermitteln. Der Unterschied zum Radar besteht darin, dass die elektromagnetischen Wellen nicht ins Freie abgestrahlt, sondern entlang eines Leiters geführt werden. Der Leiter ist als Monosonde oder Koaxialsonde ausgebildet, welche senkrecht oder schräg in den Tank eingeführt wird und möglichst dicht bis zum Boden reicht, um den vollen Messbereich abzudecken.A known method for level measurement is based on sending an electromagnetic signal into the container with the level to be measured and to evaluate the reflected signal. One way is to radiate the signal freely, as happens with the radar. Because of the uncontrolled wave propagation, the Time Domain Reflectometry (TDR) method is often preferred. It is based on the determination of transit times of an electromagnetic signal to determine the distance of a discontinuity of the line resistance. The difference to the radar is that the electromagnetic waves are not emitted to the outside, but are guided along a conductor. The conductor is designed as a monosonde or coaxial probe which is inserted vertically or obliquely into the tank and extends as close as possible to the bottom in order to cover the full measuring range.

Bei einer TDR-Messung wird ein sehr kurzer elektrischer Sendeimpuls in den Leiter eingespeist und durchläuft ihn in Richtung des gegenüberliegenden Endes. Trifft der Impuls auf eine Störstelle, was gleichbedeutend mit einer Änderung des örtlichen Wellenwiderstands ist, wird ein Teil der Sendeenergie zum Leitungseingang zurückreflektiert. Aus der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Sendeimpulses und dem Empfang der Reflexion lässt sich die Position der Störstelle ortsgenau errechnen. Ein wichtiges Beispiel einer Störstelle ist eine Grenzfläche, welche zwei räumliche Bereiche mit unterschiedlichen physikalischen oder chemischen Eigenschaften trennt, wie eine Grenzfläche zwischen zwei Medien.In a TDR measurement, a very short electrical transmit pulse is fed into the conductor and passes through it towards the opposite end. If the impulse hits an impurity, which is equivalent to a change in the local characteristic impedance, part of the transmission energy is reflected back to the line input. From the transit time between the transmission of the transmitted pulse and the reception of the reflection, the position of the defect can be calculated in a location-specific manner. An important example of an impurity is an interface that separates two spatial regions with different physical or chemical properties, such as an interface between two media.

Um den Empfangszeitpunkt genau bestimmen zu können, wird der Verlauf des Empfangssignals abgetastet und einer digitalen Auswertung zugeführt. Dabei werden beispielsweise lokale Extremstellen im Signalverlauf gesucht und deren zeitliche Lage einer Reflexion an einer Grenzfläche zugeordnet.In order to be able to determine the time of reception precisely, the course of the received signal is sampled and fed to a digital evaluation. In this case, for example, local extreme points are searched in the waveform and their temporal location associated with a reflection at an interface.

Schwierigkeiten entstehen, wenn mehrere Grenzflächen vorhanden sind, wie dies beispielsweise bei mehreren Medien in einem Behälter der Fall ist. Dabei kann es sich um Wasser handeln, das sich am Boden eines Öltanks ansammelt. Ein wichtiger Fall ist Schaumbildung an der Oberfläche einer Flüssigkeit. Hier möchte man häufig den Füllstand des eigentlichen Mediums ermitteln. Eine Reflexion an der Grenzfläche zum Schaum kann aber mit dem Messpuls des Mediums verwechselt werden oder sogar in einer Weise mit diesem Messpuls verschmelzen, dass gar kein sinnvolles Messergebnis mehr geliefert wird. Ein herkömmlicher Auswertealgorithmus, der nur für die Erkennung einzelner Reflexionssignale ausgelegt ist, kann also mit solchen Messsituationen nicht umgehen.Difficulties arise when multiple interfaces are present, as is the case with multiple media in a container, for example. It can be water that accumulates at the bottom of an oil tank. An important case is foaming on the surface of a liquid. Here you would often like to determine the level of the actual medium. However, a reflection at the interface with the foam can be confused with the measuring pulse of the medium or even merge with this measuring pulse in such a way that no sensible measurement result is delivered any more. A conventional evaluation algorithm, which is designed only for the detection of individual reflection signals, so can not handle such measurement situations.

Selbst einer Erweiterung eines herkömmlichen Auswertealgorithmus' um eine Mehrechoauflösung von mehreren Grenzschichten steht somit die in der Praxis oft nicht gegebene Voraussetzung im Wege, dass die Trennschichten einen bestimmten Abstand aufweisen müssen, damit die aus den Trennschichten resultierenden Pulse im Echosignal einen hinreichenden Abstand voneinander haben. Noch schwieriger wird es, wenn die einzelnen Schichten der Medien nicht einmal in sich homogen sind. Beispielsweise kann bei Schaum die Dichte und damit die relative Dielektrizitätskonstante nach einer unbekannten, meist monotonen Funktion ansteigen, so dass sich zahlreiche kleine, einander überlagernde Pulse im Echosignal ergeben.Even an extension of a conventional evaluation algorithm by an Mehrechoauflösung of multiple boundary layers is thus often not given in practice condition in the way that the separation layers must have a certain distance, so that the resulting from the separation layers pulses in the echo signal have a sufficient distance from each other. It is even more difficult if the individual layers of the media are not even homogeneous. For example, in the case of foam, the density and thus the relative dielectric constant increase according to an unknown, usually monotonous function, so that numerous small overlapping pulses result in the echo signal.

Ein möglicher Ausweg könnte darin bestehen, die Bandbreite des Sendepulses zu erhöhen. Dadurch sind Echopulse, die durch nahe beieinander liegende Grenzschichten entstehen, eher getrennt. Gleichzeitig verschärfen sich aber auch die Anforderungen an das Elektronikdesign, etwa die Abtastrate sowie die nachfolgende Signalerfassung. Zudem nimmt bei sehr hohen Frequenzen jenseits von 10GHz die Dämpfung in einer Monosonde durch den Skin-Effekt stark zu, so dass das Signal-Rausch-Verhältnis unzureichend werden kann. In jedem Fall löst eine Bandbreitenerhöhung noch nicht das Problem, die an Schaum und Medium entstehenden Echos zu unterscheiden und so sicherzustellen, dass nicht der Schaumstand als Füllstand des Mediums, ein verfälschter Füllstand des Mediums oder im schlechtesten Fall gar kein Messwert ausgegeben wird.A possible way out might be to increase the bandwidth of the transmit pulse. As a result, echo pulses that result from boundary layers located close to one another are rather separated. At the same time, however, the demands on the electronics design, such as the sampling rate and the subsequent signal acquisition, are also becoming more stringent. In addition, at very high frequencies beyond 10 GHz, the attenuation in a monoprobe by the skin effect increases sharply, so that the signal-to-noise ratio can be insufficient. In any case, an increase in bandwidth does not yet solve the problem of distinguishing the echoes of foam and medium, thus ensuring that the foam level is not output as the level of the medium, a falsified level of the medium or, in the worst case, no measured value.

Ein anderer Ausweg könnte darin liegen, anstelle einer Monosonde eine Koaxialsonde zu verwenden. Dadurch kann die Resistenz gegenüber Schaum verbessert werden, denn die Echos werden hauptsächlich durch Variationen im Feldraum innerhalb des Koaxialrohrs hervorgerufen. Durch eine vorteilhafte Ausgestaltung des Koaxialrohrs mit nur kleinen Öffnungen ist es möglich, das Eindringen von Schaum in das Rohr zu minimieren. Allerdings werden so auch gegenüber einer Monosonde die Einsatzmöglichkeiten beschränkt, da sich Anteile des zu messenden Mediums im Koaxialrohr ablagern können. Dies kann die Verfügbarkeit des Sensors beeinträchtigen. In Anwendungen mit Hygieneanforderungen ist der Einsatz gar nicht möglich. Außerdem kann auf diese Weise der Füllstand des Schaums selbst nicht bestimmt werden.Another way out might be to use a coaxial probe instead of a monaural probe. This can improve the resistance to foam because the echoes are mainly caused by variations in the field space within the coaxial tube. By an advantageous embodiment of the coaxial tube with only small openings, it is possible to minimize the ingress of foam into the tube. However, the possible uses are limited as compared to a monoprobe, since portions of the medium to be measured can be deposited in the coaxial tube. This can affect the availability of the sensor. In applications with hygiene requirements, the use is not possible. In addition, the level of the foam itself can not be determined in this way.

Der Ansatz, die Schaumbildung von vorneherein durch den Zusatz von chemischen Mitteln oder durch den Betrieb der Anlage mit optimierten Prozessparametern zu reduzieren, ist in den meisten Anwendungen nicht umsetzbar. Chemische Mittel beeinflussen das Prozessmedium und sind im Lebensmittelbereich ohnehin meist undenkbar. Durch optimierte Prozessparameter lässt sich das Problem mildern, gerade in der Betriebsphase beim Anfahren kann eine Schaumbildung aber auf diese Weise selten ausreichend unterdrückt werden.The approach of reducing foam formation from the outset by adding chemical agents or operating the plant with optimized process parameters is not feasible in most applications. Chemical agents affect the process medium and are usually unthinkable in the food industry anyway. Through optimized process parameters, the problem can be mitigated, especially in the operating phase when starting up foaming can rarely be sufficiently suppressed in this way.

Die EP 2 365 302 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem der Abstand zu einer Grenzfläche und die relative Dielektrizitätskonstante des die Grenzfläche erzeugenden Mediums ein erstes Mal anhand eines Übergangspulses am Übergang der Sonde in den Behälter und des Echos an der Grenzfläche und ein zweites Mal anhand eines Artefaktpulses vom Ende der Sonde bestimmt wird. Sind diese Messungen nicht zueinander konsistent, so wird auf die Anwesenheit einer weiteren Grenzschicht geschlossen und das Verfahren iterativ auf die weitere Grenzschicht angewandt, bis alle Füllstände vermessen sind. Dies erfordert genaue Informationen der beiden Referenzpulse, also des Übergangspulses vom Anfang und des Artefaktpulses vom Ende der Sonde. Um hier eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen, werden hohe Anforderungen an die Elektronik gestellt, die zu entsprechenden Herstellkosten führen. Selbst damit lässt sich aus dem Übergangspuls einer Monosonde, die anders als eine Koaxialsonde sehr vielen Störeffekten ausgesetzt ist, nicht hinreichend genau auf den transmittierten Anteil der Sendeenergie schließen. Zudem ist der Artefaktpuls am Ende der Sonde durch die Ausbreitung in den unterschiedlichen Medien in einer zunächst völlig undefinierten Weise verzögert und abgeschwächt und steht daher in vielen Messsituationen nicht als zuverlässige Referenz zur Verfügung. Außerdem kann bei niedrigen Füllständen auch der Artefaktpuls von Messpulsen überlagert sein, so dass die Referenz sogar verfälscht ist.The EP 2 365 302 A1 describes a method in which the distance to an interface and the relative dielectric constant of the interface-generating medium are detected a first time from a transition pulse at the transition of the probe into the container and the echo at the interface and a second time from an artifact pulse from the end of the probe is determined. If these measurements are not consistent with each other, the presence of a further boundary layer is concluded and the method is applied iteratively to the further boundary layer until all fill levels have been measured. This requires accurate information of the two reference pulses, ie the transition pulse from the beginning and the artifact pulse from the end of the probe. In order to achieve sufficient accuracy here, high demands are placed on the electronics, which lead to corresponding production costs. Even so, from the transition pulse of a monoprobe, which is exposed to a lot of other than a coaxial probe very much interference, do not close sufficiently accurate to the transmitted portion of the transmission energy. In addition, the artifact pulse at the end of the probe is delayed and attenuated by the propagation in the different media in a manner that is initially completely undefined and therefore is not available as a reliable reference in many measurement situations. Also, at low levels, too the artifact pulse of measuring pulses to be superimposed, so that the reference is even distorted.

Die DE 100 51 151 A1 zeigt ein TDR-Verfahren zur Bestimmung der Positionen oberer und unterer Grenzflächen einer ersten Flüssigkeit, die auf einer zweiten Flüssigkeit eines Behälters schwimmt. Es wird aber nicht genauer erklärt, wie die entsprechenden Echos an den beiden Grenzflächen erkannt und unterschieden werden. Außerdem basiert auch hier die Auswertung auf dem Artefaktpuls, der in der DE 100 51 151 A1 als Bezugsrückführimpuls bezeichnet ist. Das hat die oben geschilderten erheblichen Nachteile.The DE 100 51 151 A1 Figure 11 shows a TDR method for determining the positions of upper and lower interfaces of a first liquid floating on a second liquid of a container. However, it is not explained in more detail how the corresponding echoes are recognized and distinguished at the two interfaces. Furthermore, the evaluation is based on the artifact pulse, which is used in the DE 100 51 151 A1 is referred to as a reference feedback pulse. This has the above-described significant disadvantages.

Aus der US 6,724,197 B2 ist ein Füllstandssensor bekannt, mit dem der Füllstand des unteren von zwei aufeinander geschichteten Medien bestimmbar ist. Dazu ist aber eine besondere und aufwändige Sondenform erforderlich.From the US 6,724,197 B2 a level sensor is known with which the level of the lower of two stacked media can be determined. But this requires a special and expensive probe shape.

Die US 5,723,979 A offenbart einen TDR-Füllstandssensor zur Messung in Flüssigkeitsmischungen. Beschrieben wird lediglich eine Sondenform. Ein Auswertungsverfahren, erst recht eine Bestimmung der Entfernung zu mehreren Grenzschichten, ist nicht beschrieben.The US 5,723,979 A discloses a TDR level sensor for measurement in liquid mixtures. Only a probe shape is described. An evaluation method, certainly a determination of the distance to several boundary layers, is not described.

In der US 6,445,192 B1 werden Zwillingspulse an doppelten Grenzflächen von einem TDR-Sensor anhand des Steigungsverhaltens der Signalform aufgetrennt. Allerdings wird nicht erklärt, wie damit der Füllstand eines unter einer Störschicht liegenden Mediums vermessen wird.In the US Pat. No. 6,445,192 B1 For example, twin pulses at double interfaces are separated by a TDR sensor based on the slope behavior of the waveform. However, it is not explained how to measure the level of a medium under an interfering layer.

Aus der DE 101 96 640 T1 ist eine verbesserte Schwellwerteinstellung für einen Radar-Pegeltransmitter bekannt, der unter Verwendung eines TDR-Verfahrens zum Messen von Füllständen mehrerer Materialien in Speicherbehältern eingesetzt wird. Dabei werden mehrere, jeweils mit einer spezifischen Materialgrenzfläche in Beziehung stehende Schwellenwerte verwendet, um die Pegel der verschiedenen Materialien zu erfassen.From the DE 101 96 640 T1 there is known an improved threshold setting for a radar level transmitter used using a TDR method to measure levels of multiple materials in storage containers. In doing so, multiple thresholds, each related to a specific material interface, are used to detect the levels of the various materials.

In der DE 100 44 888 A1 werden die dielektrischen Konstanten und Schichtdicken sich überlagernder Füllgüter aus dem Amplitudenverhältnis einer Echokurve eines Pulsradars bestimmt.In the DE 100 44 888 A1 The dielectric constants and layer thicknesses of superimposed products are determined from the amplitude ratio of an echo curve of a pulse radar.

Die nachveröffentlichte DE 10 2012 101 725 identifiziert in einem Signalverlauf eines TDR-Füllstandssensors anhand von Amplitudenerwartungswerten einen ersten Messpuls und einen zweiten Messpuls, die an einer Grenzfläche zu dem zu vermessenden Medium beziehungsweise einer darüber befindlichen Stör- oder Schaumschicht entstehen. Die Erwartungswerte werden insbesondere aus einer bekannten relativen Dielektrizitätskonstanten des Mediums und einer Referenzamplitude eines bei leerem Behälter am Sondenende entstehenden Artefaktpulses berechnet.The post-published DE 10 2012 101 725 identifies in a signal curve of a TDR level sensor based on amplitude expectation values a first measuring pulse and a second measuring pulse, which arise at an interface with the medium to be measured or an interference or foam layer located above it. The expected values are in particular calculated from a known relative dielectric constant of the medium and a reference amplitude of an artefact pulse arising at the probe end when the container is empty.

Die DE 10 2005 063 079 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter. Dabei wird ein Mikrowellensignal in den Behälter gestrahlt und die resultierende Echofunktion ausgewertet. Das Verfahren ist dafür gedacht und geeignet, eine unebene Mediumsoberfläche beispielsweise durch Schüttkegelbildung zu verarbeiten, wo in der Echofunktion aufgrund der Unebenheiten gleich mehrere Nutzechosignale entstehen. Es wird dann ein Gruppenbereich der Nutzechosignale identifiziert und die Messposition als Flächenschwerpunkt des Gruppenbereichs bestimmt. Dies soll eine mittlere Füllhöhe repräsentieren.The DE 10 2005 063 079 A1 discloses a method for detecting and monitoring a level of a medium in a container. In this case, a microwave signal is radiated into the container and evaluated the resulting echo function. The method is intended and suitable for processing an uneven surface of the medium, for example by means of bulk material formation, where a plurality of wanted echo signals are produced in the echo function due to the unevennesses. A group area of the useful echo signals is then identified and the measuring position determined as the centroid of the group area. This should represent a mean filling level.

In der DE 102 49 544 A1 wird ein weiteres Verfahren zur Füllstandsmessung nach dem Laufzeitprinzip beschrieben. Um Überlagerungen eines ersten Echopulses von dem Füllgut mit einem zweiten Echopuls von einem Störer zu berücksichtigen, werden Laufzeiten zu einem Punkt X auf der steigenden Flanke, zu dem Maximum M der Überlagerung und zu einem Punkt Y auf der fallenden Flanke bestimmt. Die Laufzeit zur Füllgutoberfläche wird aus diesen Laufzeiten in diversen Ausführungsformen auf verschiedene Weise abgeleitet. Eine Ausführungsform sieht einen Formfaktor zur Korrektur von Asymmetrien der Überlagerung vor, welcher das Integral der Echokurve von dem Punkt X zu dem Maximum M mit dem Integral von dem Maximum M zu dem Punkt Y vergleicht.In the DE 102 49 544 A1 Another method for level measurement according to the transit time principle is described. In order to take into account overlays of a first echo pulse from the contents with a second echo pulse from an interferer, run times are determined to a point X on the rising edge, to the maximum M of the overlay and to a point Y on the falling edge. The transit time to the product surface is derived from these terms in various embodiments in various ways. One embodiment provides a form factor for correcting overlay asymmetries, which compares the integral of the echo curve from the point X to the maximum M with the integral from the maximum M to the point Y.

Soweit demnach im Stand der Technik überhaupt die Möglichkeit gegeben wird, mehrere Grenzschichten aufzulösen, so basieren alle diese Verfahren darauf, Pulse an den Grenzschichten zu erkennen. An dünnen Schichten und vor allem Schaum, der sich in sehr unterschiedlicher Weise ausbilden und eine Vielzahl ineinanderlaufender Pulse erzeugen kann, scheitert aber die Erkennung einzelner Pulse. Das Ergebnis sind große Messfehler oder, wenn in dem aufgezeichneten Signal eine Vielzahl Pulse zur Unkenntlichkeit miteinander verschmolzen ist und daher kein Messpuls mehr erkannt wird, sogar Fehlerzustände des Sensors. TDR-Sensoren sind deshalb herkömmlich für die Schaummessung nicht einsetzbar.Insofar as in the prior art it is even possible to dissolve several boundary layers, all these methods are based on detecting pulses at the boundary layers. At thin layers and especially foam, which can be formed in very different ways and can produce a variety of interlaced pulses, but fails the detection of individual pulses. The result is large measurement errors or, if in the recorded signal, a plurality of pulses is fused to each other beyond recognition and therefore no measuring pulse detected will, even error conditions of the sensor. TDR sensors are therefore traditionally not suitable for foam measurement.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Füllstandsmessung in einem Behälter mit mehreren Schichten zu verbessern.It is therefore an object of the invention to improve the level measurement in a container with multiple layers.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Füllstandsmessung in einem Behälter mit einem ersten Medium und mindestens einem darüber angeordneten zweiten Medium nach Anspruch 1 sowie einen für dieses Verfahren ausgebildeten Sensor nach Anspruch 15 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, den Signalverlauf eines in dem Behälter reflektierten Signals nicht nur an der Stelle auszuwerten, wo ein Grenzübergang lokalisiert wird, sondern den Signalverlauf von einer Referenzposition der Sonde an aufzuintegrieren. Dabei entsteht ein aufintegrierter Signalverlauf, der selbst eine Funktion derjenigen Sondenposition ist, bis zu der jeweils integriert wurde, beziehungsweise eine Funktion der mit der Sondenposition monoton zusammenhängenden Zeit. Es wird so gleichsam die Historie der vor dem Grenzübergang reflektierten Signalanteile mit berücksichtigt.This object is achieved by a method for level measurement in a container having a first medium and at least one second medium arranged thereon according to claim 1 and a sensor designed according to this method according to claim 15. The invention is based on the basic idea of not only evaluating the signal profile of a signal reflected in the container at the point where a border crossing is located, but also integrating the signal course from a reference position of the probe. This results in an integrated signal curve, which itself is a function of that probe position up to which each was integrated, or a function of the time monotonically connected with the probe position. As it were, the history of the signal components reflected before the border crossing is taken into account.

Der Signalverlauf ist vorzugsweise eine diskret abgetastete Zeitreihe von Amplitudenwerten der Empfangsintensität des in dem Behälter reflektierten Sendesignals, beispielsweise eines Mikrowellensignals. Unter Aufintegrieren wird hier das Bilden eines summarischen Maßes für den Signalverlauf bis zu einem Betrachtungspunkt verstanden. Dazu werden im einfachsten Fall die diskreten Abtastwerte aufsummiert. Dies entspricht einer Näherung des Integrals durch eine Stufenfunktion. Genauere Integrationsverfahren, wie das Trapezverfahren oder das Runge-Kutta-Verfahren, sind aber ebenso denkbar.The waveform is preferably a discretely sampled time series of amplitude values of the reception intensity of the transmission signal reflected in the container, for example a microwave signal. Under integration here is forming a summarized measure of the waveform to a point of view understood. For this purpose, in the simplest case, the discrete samples are added up. This corresponds to an approximation of the integral by a step function. However, more precise integration methods, such as the trapezoidal method or the Runge-Kutta method, are also conceivable.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine Messung bis zur Oberfläche eines bestimmten Mediums auch dann ermöglicht wird, wenn weitere Medien oder Störschichten wie Schaum darüber liegen. Durch das Aufintegrieren gelingt dies gänzlich unabhängig von der konkreten Kurvenform und insbesondere davon, wie gut sich Pulse in dem Signalverlauf identifizieren lassen. Ebenso wenig werden einzelne Amplitudenwerte des Signalverlaufs mit Schwellen oder Ähnlichem verglichen, wo es stets große Abhängigkeiten von schwer zu kontrollierenden Randbedingungen geben würde. Die Messung wird dadurch extrem robust und wertet auch noch Signalverläufe sinnvoll aus, in denen überhaupt keine Pulse erkennbar sind. Schichten oberhalb des zu vermessenden Mediums dürfen dabei sogar noch in sich inhomogen sein, wie in manchen Fällen von Schaum, der praktisch eine Vielzahl von Grenzübergängen zwischen Schaumschichten unterschiedlicher Dichte bildet. Die Erfindung ermöglicht im Gegensatz zum Stand der Technik, TDR-Sensoren überhaupt für Schaummessung praktisch einsetzen zu können.The invention has the advantage that a measurement up to the surface of a certain medium is also made possible if further media or interference layers such as foam are lying over it. By integrating, this is completely independent of the actual waveform and in particular of how well pulses can be identified in the waveform. Likewise, individual amplitude values of the waveform are not compared to thresholds or the like where there would always be large dependencies on hard-to-control constraints. As a result, the measurement becomes extremely robust and evaluates even signal waveforms meaningful in which no pulses are recognizable. Layers above the medium to be measured may even be inherently inhomogeneous, as in some cases of foam, which practically forms a multiplicity of boundary transitions between foam layers of different density. In contrast to the prior art, the invention makes it possible to practically use TDR sensors for foam measurement at all.

Die Referenzposition ist bevorzugt ein Sondenanfang. Dabei handelt es sich nicht unbedingt um den physischen Sondenanfang, wenn eine Sonde beispielsweise im Inneren des Sensorkopfes verschraubt ist, sondern um den Beginn des gewünschten Messbereichs für Füllstände. Im Signalverlauf kann diese Referenzposition beispielsweise an einem Puls erkannt werden, der fast unvermeidlich im Übergang von Sensorkopf zu Sonde entsteht. Die Referenzposition kann aber ebenso auch aus baulichen Eigenschaften des Sensors abgeleitet oder ab Werk beziehungsweise am Betriebsort kalibriert werden.The reference position is preferably a probe start. This is not necessarily the physical probe start, for example, when a probe is bolted inside the sensor head, but at the beginning of the desired fill level measurement range. In the course of the signal, this reference position can be detected, for example, on a pulse that arises almost inevitably in the transition from sensor head to probe. However, the reference position can also be derived from structural properties of the sensor or calibrated ex works or at the site.

Die Signallaufzeit wird bevorzugt aus Signallaufzeitintervallen summiert, die eine Verzögerung der Signalausbreitung an der zu einem jeweiligen Signallaufzeitintervall gehörigen Sondenposition durch eine Korrektur mit dem bis zu dieser jeweiligen Sondenposition aufintegrierten Signalverlauf berücksichtigen. Das in das zweite Medium eindringende Sendesignal wird durch die dort im Vergleich mit Luft höhere relative elektrische Dielektrizitätskonstante verzögert. Dies soll bei der Umrechnung der Signallaufzeit in einen äquivalenten Signalweg für die Bestimmung eines Abstands des Grenzübergangs und damit des Füllstands kompensiert werden. Allerdings ist die Dielektrizitätskonstante regelmäßig unbekannt, beziehungsweise sie ändert sich im Falle von inhomogenem Schaum im Extremfall von Abtastpunkt zu Abtastpunkt des Signalverlaufs. Deshalb wird in dieser bevorzugten Weiterbildung eine Zeitanpassung vorgenommen. Die dabei an der jeweils betrachteten Sondenposition einwirkende Dielektrizitätskonstante wird mit Hilfe des bis dahin aufintegrierten Signalverlaufs geschätzt, um auf diese Weise die bis zu dieser Sondenposition reflektierten Signalanteile zu berücksichtigen.The signal transit time is preferably summed from signal travel time intervals which take into account a delay of the signal propagation at the probe position belonging to a respective signal delay time interval by a correction with the signal waveform integrated up to this respective probe position. The transmission signal penetrating into the second medium is delayed by the higher relative dielectric constant there compared with air. This should be in the conversion of the signal delay be compensated in an equivalent signal path for the determination of a distance of the border crossing and thus the level. However, the dielectric constant is regularly unknown or, in the case of inhomogeneous foam, it changes in extreme cases from sample point to sample point of the signal curve. Therefore, in this preferred embodiment, a time adjustment is made. The dielectric constant acting on the respectively considered probe position is estimated with the aid of the previously integrated signal curve in order to take into account the signal components reflected up to this probe position.

In die Korrektur geht bevorzugt zusätzlich eine von der spezifischen Wellenausbreitung in dem Behälter abhängige Umgebungskonstante ein. Die maßgeblich durch den Behälter, vor allem dessen Geometrie festgelegte spezifische Umgebung der Sonde wirkt ebenfalls auf den Signalverlauf ein. Dies gilt verstärkt bei einer Monosonde. Um von diesen Einflüssen bei der Schätzung der relativen Dielektrizitätskonstante und der Zeitanpassung unabhängig zu werden, wird eine Umgebungskonstante bestimmt oder festgelegt. Die Zeitanpassung berücksichtigt also mindestens zwei Einflussgrößen, nämlich den aufintegrierten Signalverlauf und die Umgebungskonstante.In the correction preferably additionally an environmental constant dependent on the specific wave propagation in the container. The specific environment of the probe, which is essentially determined by the container, especially its geometry, likewise influences the signal course. This applies more to a single-probe. In order to become independent of these influences in the estimation of the relative dielectric constant and the time adjustment, an environmental constant is determined or established. The time adjustment thus takes into account at least two influencing variables, namely the integrated signal curve and the ambient constant.

Die Umgebungskonstante wird bevorzugt in einer Kalibrationsmessung bei leerem Behälter bestimmt, bei der ein Integral des Signalverlaufs über einen Bereich eines am Sondenende entstehenden Artefaktpulses gebildet wird. Am Sondenende wird die nach Reflexionen an den diversen Grenzübergängen verbleibende Signalenergie reflektiert. Bei leerem Behälter ist dies praktisch das gesamte Signal, so dass ein ausgeprägter Puls entsteht. Der Puls ist gut händisch oder automatisch identifizierbar und befindet sich überdies an einer durch die Sondenlänge festgelegten fixen zeitlichen Position, da es bei leerem Behälter keine Signalverzögerungen aufgrund von Luft abweichender relativer Dielektrizitätskonstanten gibt. Durch Bezugnahme auf den Artefaktpuls können zahlreiche behälter- und geräteabhängige Faktoren und damit die zugehörigen Einsteüungsschritte und Berechnungen entfallen. Die bei der Diskussion des Standes der Technik geschilderten Probleme bei der Vermessung des Artefaktpulses stellen sich hier nicht, weil in einer kontrollierten, sehr einfachen Situation bei leerem Behälter gemessen wird. Obwohl der Artefaktpuls ein besonders einfaches und zuverlässiges Maß für die Umgebungskonstante darstellt, können prinzipiell auch die damit kompensierten geräte- und behälterspezifischen Einflüsse modelliert oder ausgemessen werden. Auch ist denkbar, anstelle des Artefaktpulses den Sendepuls oder einen Übergangspuls am Übergang zwischen Sensorkopf und Sonde heranzuziehen.The environmental constant is preferably determined in a calibration measurement in the case of an empty container, in which an integral of the signal curve is formed over a region of an artifact pulse arising at the probe end. At the end of the probe, the signal energy remaining after reflections at the various border crossings is reflected. When the container is empty, this is practically the entire signal, resulting in a pronounced pulse. The pulse is well manageable or automatically identifiable and, moreover, is located at a fixed time position determined by the probe length, since there are no signal delays due to air deviating relative dielectric constants when the container is empty. By referring to the artifact pulse, numerous container and device dependent factors and thus the associated adjustment steps and calculations can be omitted. The artifact pulse measurement problems described in the discussion of the prior art do not arise here, as measured in a controlled, very simple situation with an empty container. Although the artifact pulse represents a particularly simple and reliable measure of the environmental constant, it is also possible in principle to model or measure the instrument and container-specific influences that have been compensated for become. It is also conceivable to use the transmit pulse or a transition pulse at the transition between sensor head and probe instead of the artifact pulse.

Der Grenzübergang wird bevorzugt durch einen Vergleich des aufintegrierten Signalverlaufs mit einem Schwellwert erkannt. Es wird also sukzessive der Signalverlauf von einem der Referenzposition entsprechenden Zeitpunkt an bis zu einem immer späteren betrachteten Zeitpunkt aufintegriert, bis der aufintegrierte Signalverlauf die Schwelle überschreitet. Der dabei zuletzt betrachtete Zeitpunkt wird als zu der Position des gesuchten Grenzübergangs gehörig angesehen und in einen Füllstand umgerechnet. Auf diese Weise wird ein sehr einfaches Verfahren angegeben, um den Grenzübergang stabil und gänzlich unabhängig von der Form des Signalverlaufs zu bestimmen, also insbesondere unabhängig davon, ob sich in dem Signalverlauf Pulse identifizieren lassen.The border crossing is preferably detected by a comparison of the integrated signal curve with a threshold value. Thus, the signal progression from a time corresponding to the reference position is successively integrated up to an always considered time until the integrated signal waveform exceeds the threshold. The most recently considered time is considered as belonging to the position of the wanted border crossing and converted into a level. In this way, a very simple method is given to determine the border crossing stable and completely independent of the shape of the waveform, ie in particular regardless of whether can be identified in the waveform pulses.

Für den Vergleich wird der Signalverlauf vorzugsweise ein zweites Mal aufintegriert, der zweiten Integration wird jedoch anstelle des Signalverlaufs selbst dessen Absolutbetrag oder der punktweise quadrierte Signalverlauf zugrunde gelegt. Der Signalverlauf kann nämlich auch negative Werte annehmen. Dies geschieht beispielsweise, wenn sich dichterer Schaum oberhalb von lockerem Schaum befindet. Ein anderes Beispiel ist eine Luftblase in einer Koaxialsonde. Für die Bestimmung der Signallaufzeit, insbesondere die Zeitanpassung, ist es richtig, dieses Vorzeichen zu berücksichtigen. Auch negative Anteile in dem Signalverlauf entsprechen aber reflektierter Sendeenergie. Da die Schwelle misst, wie viel Sendeenergie bereits oberhalb einer jeweils betrachteten Sondenposition durch Reflexionen verloren gegangen ist, sollte hierbei das Vorzeichen ignoriert werden. Dies geschieht durch Bilden des Absolutbetrags oder Quadrieren, wobei letzteres das physikalisch korrekte Maß für die Energie ergibt. Auch andere abgeleitete Größen anstelle eines Absolutbetrags oder punktweisen Quadrierens sind denkbar.For the comparison, the signal curve is preferably integrated a second time, but the second integration is based instead of the signal curve itself on its absolute value or the pointwise squared signal curve. The signal curve can also assume negative values. This happens, for example, when denser foam is above loose foam. Another example is an air bubble in a coaxial probe. For the determination of the signal propagation time, in particular the time adjustment, it is correct to consider this sign. Negative components in the signal curve also correspond to reflected transmission energy. Since the threshold measures how much transmission energy has already been lost due to reflections above a considered probe position, the sign should be ignored. This is done by taking the absolute value or squaring, the latter giving the physically correct measure of the energy. Other derived quantities instead of an absolute amount or pointwise squaring are conceivable.

Der Grenzübergang wird bevorzugt in einem iterativen Verfahren erkannt, welches den Signalverlauf in durch die Abtastrate des Signalverlaufs vorgegebenen Schritten ab der Referenzposition bis zu einem Abbruchkriterium aufintegriert, nämlich ob der bis zu dem jeweiligen Schritt aufintegrierte Signalverlauf oder ein entsprechendes Integral des Absolutbetrags des Signalverlaufs oder des punktweise quadrierten Signalverlaufs den Schwellwert überschreitet. Ein solches iteratives Verfahren ist leicht in einen Algorithmus für eine digitale Verarbeitung umsetzbar.The border crossing is preferably detected in an iterative method, which integrates the signal profile in steps predetermined by the sampling rate of the signal waveform from the reference position to a termination criterion, namely whether the signal waveform integrated up to the respective step or a corresponding integral of the absolute value of the signal waveform or of the Pointwise squared waveform exceeds the threshold. Such an iterative method is easily implementable in an algorithm for digital processing.

Die zu bestimmende Signallaufzeit wird bevorzugt anfangs auf Null gesetzt und in jedem Schritt um ein Inkrement erhöht, das sich als Quotient berechnet, dessen Zähler von der Summe aus der Umgebungskonstanten und dem aufintegriertem Signalverlauf und dessen Nenner von der Differenz aus der Umgebungskonstante und dem aufintegriertem Signalverlauf gebildet wird. Damit erfolgt in einer iterativen Weise eine Zeitanpassung, um zu kompensieren, dass Zeitabstände in dem Signalverlauf nicht direkt Signallaufwegen entsprechen, sondern hier noch eine Signalverzögerung durch eine von Luft abweichende relative Dielektrizitätskonstante innerhalb eines Mediums eintritt. Mit der angegebenen Berechnung für das Inkrement wird diese Dielektrizitätskonstante an jeder Position geschätzt. Dabei fließen wie oben schon beschrieben einerseits die schon oberhalb der Position durch Reflexionen verlorenen Signalanteile, die in dem aufintegrierten Signalverlauf erfasst werden, und die konkreten Umgebungseinflüsse auf die Wellenausbreitung ein, die durch die Umgebungskonstante und insbesondere ein Integral über den Artefaktpuls vom Sondenende berücksichtigt werden.The signal propagation time to be determined is preferably initially set to zero and incremented in each step by an increment calculated as a quotient whose counter is the sum of the environmental constant and the integrated waveform and whose denominator is the difference between the environmental constant and the integrated waveform is formed. This is done in an iterative manner a time adjustment in order to compensate for the fact that time intervals in the signal curve do not directly correspond to signal propagation paths, but that a signal delay through a relative dielectric constant deviating from air occurs here within a medium. With the given calculation for the increment, this dielectric constant is estimated at each position. In this case, as already described above, the signal components already lost above the position by reflections, which are detected in the integrated signal course, and the specific environmental influences on the wave propagation, which are taken into account by the environmental constant and, in particular, an integral via the artifact pulse from the probe end.

Der Schwellwert wird bevorzugt durch eine Kalibrationsmessung bestimmt, bei der sich nur das erste Medium in dem Behälter befindet und ein Schwellwertintegral des Signalverlaufs im Bereich eines Echosignals an dem Grenzübergang zu dem ersten Medium gebildet wird. Dies ist ein einfaches Verfahren, um einen passenden Schwellwert unter kontrollierten Bedingungen zu bestimmen, nämlich ohne störendes zweites Medium. Dadurch ist sichergestellt, dass sich ein ausgeprägter, leicht zu erkennender und zu vermessender Mediumpuls bildet, über den dann das Schwellwertintegral integriert. Wie immer bedeutet Integral ein summarisches Maß für den Signalverlauf im betrachteten Bereich, zu dem die einzelnen Werte des Signalverlaufs beitragen. Ein solches Maß lässt sich beispielsweise durch numerische Integration bestimmen, die einfach im Aufsummieren der Werte des Signalverlaufs bestehen kann.The threshold value is preferably determined by a calibration measurement, in which only the first medium is in the container and a threshold integral of the signal profile is formed in the region of an echo signal at the border crossing to the first medium. This is a simple method to determine a suitable threshold under controlled conditions, namely without interfering second medium. This ensures that a pronounced, easily recognizable and measurable medium pulse is formed, via which the threshold integral is integrated. As always, Integral means a summary measure of the waveform in the considered range, to which the individual values of the waveform contribute. Such a measure can be determined, for example, by numerical integration, which can simply consist in summing up the values of the signal curve.

Der Schwellwert wird bevorzugt auf 90 % bis 110 % des Schwellwertintegrals gesetzt, um den Grenzübergang zu dem ersten Medium zu erkennen. Der Schwellwert wird damit nahezu oder gänzlich mit dem Schwellwertintegral gleichsetzt. Eine gewisse Entlastung von einer Identität ist sinnvoll, wobei ein Wert unterhalb 100 % sicherstellt, dass die Schwelle auch unter Rauscheinflüssen tatsächlich überschritten und damit ein Messwert generiert wird, der möglicherweise den Abstand des Grenzübergangs etwas unterschätzt. Umgekehrt überschätzt ein Wert oberhalb 100 % diesen Abstand und verhindert damit, dass fälschlich noch ein Füllstandswert innerhalb des oberen, zweiten Mediums ausgegeben wird.The threshold is preferably set to 90% to 110% of the threshold integral to detect the border crossing to the first medium. The threshold is thus almost or completely equated with the threshold integral. A certain relief from an identity makes sense, with a value below 100% ensuring that the threshold is indeed exceeded, even under the influence of noise, and thus a measured value is generated, which may underestimate the distance of the border crossing somewhat. Conversely, a value above 100% overestimates this distance and thus prevents a level value from being erroneously output within the upper, second medium.

Der Schwellwert kann vorzugsweise auch auf 5 % bis 30 % des Schwellwertintegrals gesetzt werden, um den Grenzüberganz zu dem zweiten Medium zu erkennen. Dieser Schwellwert soll also nahe bei Null liegen und nur so groß sein, dass nicht schon bloßes Rauschen als Grenzübergang erkannt wird. Damit wird der oberste Grenzübergang, also der Füllstand des zweiten Mediums und insbesondere die Schaumoberfläche gemessen. Je weiter die Schwelle von Null abweicht, umso sicherer differenziert sie vom Rauschen, überschätzt dafür aber auch zunehmend den Abstand des obersten Grenzübergangs, misst also zunehmend tiefer in das zweite Medium hinein.The threshold value may preferably also be set to 5% to 30% of the threshold integral in order to detect the limit over all of the second medium. This threshold should therefore be close to zero and only be so large that not even noise is detected as a border crossing. Thus, the uppermost border crossing, ie the level of the second medium and in particular the foam surface is measured. The further the threshold deviates from zero, the more surely it differentiates from the noise, but increasingly also overestimates the distance of the uppermost border crossing, and thus measures increasingly deeper into the second medium.

Denkbar ist auch, die Schwelle sowohl in die Nähe von 100 % als auch etwas oberhalb von Null zu setzen, d.h. effektiv zwei Schwellen zu verwenden. Dadurch wird der oberste Grenzübergang zu dem zweiten Medium hin und der Grenzübergang zu dem ersten Medium gemessen. Man erhält also beide Füllstände und damit auch die Dicke der Schicht des zweiten Mediums beziehungsweise der Schaumschicht.It is also conceivable to set the threshold to both near 100% and slightly above zero, i. effectively use two thresholds. As a result, the uppermost border crossing to the second medium is measured and the border crossing to the first medium is measured. So you get both levels and thus the thickness of the layer of the second medium or the foam layer.

Der Grenzübergang zu dem zweiten Medium wird bevorzugt daran erkannt, dass der aufintegrierte Signalverlauf sich ab dem Grenzübergang systematisch von Null unterscheidet. Sobald der aufintegrierte Signalverlauf sich von Null unterscheidet, gab es eine erste Signalreflexion, somit ist an dieser Stelle das Signal in das oberste Medium eingetreten. Allerdings genügt es praktisch nicht, lediglich mit Null zu vergleichen, da dies auch durch Rauscheffekte eintritt. Betrachtet man aber den aufintegrierten Signalverlauf über einen größeren Bereich, so lässt sich erkennen, ob die Abweichung von Null systematisch oder lediglich dem Rauschen geschuldet ist. Dieses Vorgehen ist eine Alternative zu einem Schwellwertverfahren, wobei auch beide Verfahren eingesetzt und gegenseitig plausibilisiert oder die Ergebnisse miteinander verrechnet werden können.The border crossing to the second medium is preferably recognized by the fact that the integrated signal curve systematically differs from zero from the border crossing. As soon as the integrated waveform differs from zero, there was a first signal reflection, so at this point the signal has entered the uppermost medium. However, it is practically not enough just to compare with zero, as this is also due to noise effects. However, if one looks at the integrated signal curve over a larger range, it can be seen whether the deviation from zero is due systematically or only to the noise. This procedure is an alternative to a threshold value method, whereby both methods can be used and mutually plausibilized or the results can be offset against each other.

Der Signalverlauf, der aufintegrierte Signalverlauf und/oder der Schwellwert werden bevorzugt um einen Driftkorrekturwert skaliert. Hierbei ist eine wichtige Ursache für Driften die Temperatur. Der Driftkorrekturwert wird beispielsweise bestimmt, indem ein Übergangspuls am Sondenanfang oder der Sendepuls selbst mit einem zuvor eingelernten Referenzübergangspuls verglichen wird. Dieser Übergangspuls ist weitgehend unabhängig von dem Füllstand, so dass dessen Veränderungen auf Driften zurückgeführt werden können. Es wird dann angenommen, dass solche Driften in gleichem Maße den Übergangspuls skalieren wie den übrigen Signalverlauf.The waveform, the integrated waveform and / or the threshold are preferably scaled by a drift correction value. An important cause of drift is the temperature. The drift correction value is determined, for example, by comparing a transition pulse at the start of the probe or the transmit pulse itself with a previously learned reference transition pulse. This transition pulse is largely independent of the level, so that its changes can be attributed to drifts. It is then assumed that such drifts scale the transient pulse to the same extent as the rest of the waveform.

Der Signalverlauf wird bevorzugt mit einer füllstandsabhängigen Amplitudenkennlinie reskaliert. Im oberen Messbereich ergeben sich nämlich Mehrfachreflexionen, bei denen von einer Mediumsoberfläche zu dem Sondenanfang zurückkehrende Signalanteile erneut in den Behälter hinein reflektiert werden. Dies kann sich durchaus mehrfach wiederholen. Auf diese Weise werden effektiv dem eigentlichen Sendepuls unmittelbar und diesen überlagernd noch Tochterpulse hinterhergesandt, die sich mit jeder Mehrfachreflexion weiter abschwächen. Das Ergebnis sind höhere Amplituden im oberen Messbereich. Man kann diesen Effekt modellieren oder bei verschiedenen Füllständen ausmessen und auf diese Weise eine füllstandsabhängige Amplitudenkennlinie bestimmen, die in Abhängigkeit von einem Füllstand die Signalüberhöhung aufgrund von Mehrfachreflexionen als Faktor enthält. Diese Amplitudenkennlinie wird im oberen Messbereich über Eins liegen und dann bei Füllständen, bei denen diese Mehrfachreflexionen keine Rolle mehr spielen, auf Eins abfallen, um bei größeren Entfernungen wegen Dämpfung sogar unter Eins abzusinken. Durch Reskalieren des Signalverlaufs mit der Amplitudenkennlinie wird dieser Störeffekt kompensiert.The signal curve is preferably rescaled with a level-dependent amplitude characteristic. In the upper measuring range, multiple reflections result, in which signal portions returning from a medium surface to the probe start are reflected again into the container. This can be repeated several times. In this way, the actual transmit pulse is transmitted directly and superimposed on these additional daughter pulses, which weaken further with each multiple reflection. The result is higher amplitudes in the upper measuring range. It is possible to model this effect or to measure it at different fill levels and in this way to determine a fill level-dependent amplitude characteristic which, as a function of a fill level, contains the signal increase due to multiple reflections as a factor. This amplitude characteristic will be higher than one in the upper measurement range and then drop to one at levels where these multiple reflections are no longer relevant, and even drop below unity at longer distances because of attenuation. By rescaling the waveform with the amplitude characteristic of this disturbing effect is compensated.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:

Fig. 1
eine schematische Querschnittsdarstellung eines Füllstandssensors in einem Behälter;
Fig. 2
ein schematisches Blockdiagramm eines Sensorkopfes des Füllstandssensors gemäß Figur 1;
Fig. 3
ein beispielhafter schematischer Signalverlauf bei gut getrennten Messpulsen von Grenzübergängen an zwei Medien als Vergleich;
Fig. 4
im oberen Teil einen Signalverlauf mit Kennzeichnung des als Grenzübergang zu einem ersten Medium erkannten Zeitpunkts in einem Beispiel eines Behälters mit einer Flüssigkeit und einer darüber angeordneten dicken Schaumschicht; im mittleren Teil eine Darstellung des aufintegrierten Signalverlaufs und des Schwellübertritts; im unteren Teil eine Darstellung der korrigierten Laufzeit im Vergleich mit einer Laufzeit in Luft;
Fig. 5
Darstellungen gemäß Figur 4 in einem Beispiel eines Behälters mit einer Flüssigkeit und einer darüber angeordneten dünneren Schaumschicht, deren Dichte kontinuierlich zunimmt;
Fig. 6
Darstellungen gemäß Figur 4 in einem Beispiel eines Behälters mit einer Flüssigkeit und einer darüber angeordneten dünneren Schaumschicht von anderer Konsistenz als in Figur 5; und
Fig. 7
Darstellungen gemäß Figur 4 in einem Beispiel eines Behälters, in dem sich nur Schaum befindet.
The invention will be explained below with regard to further advantages and features with reference to the accompanying drawings with reference to embodiments. The figures of the drawing show in:
Fig. 1
a schematic cross-sectional view of a level sensor in a container;
Fig. 2
a schematic block diagram of a sensor head of the level sensor according to FIG. 1 ;
Fig. 3
an exemplary schematic waveform with well separated measurement pulses from border crossings to two media as a comparison;
Fig. 4
in the upper part of a signal curve with marking of the detected as a border crossing to a first medium time in an example of a container with a liquid and a thick foam layer arranged above it; in the middle part, a representation of the integrated signal waveform and the threshold crossing; in the lower part a representation of the corrected running time in comparison with a running time in air;
Fig. 5
Representations according to FIG. 4 in an example of a container with a liquid and a thinner foam layer arranged above it, the density of which increases continuously;
Fig. 6
Representations according to FIG. 4 in an example of a container with a liquid and a thinner foam layer of a different consistency arranged above it than in FIG FIG. 5 ; and
Fig. 7
Representations according to FIG. 4 in an example of a container in which there is only foam.

Figur 1 zeigt schematisch einen TDR-Sensor 10, der als Füllstandssensor in einem Tank oder Behälter 12 mit einer Flüssigkeit oder allgemein einem Medium 14 angebracht ist. Über dem Medium 14 befindet sich ein zweites Medium 16, beispielsweise Schaum in unterschiedlicher Konsistenz, oder eine Ölschicht als zweites Medium 16 auf Wasser als eigentlichem Medium 14. Die relative Permittivität oder relative Dielektrizitätskonstante ε r2 in dem zweiten Medium entspricht weder Luft noch dem Medium 14 und kann innerhalb des zweiten Mediums 16 in unterschiedlichen Höhenlagen variieren. FIG. 1 schematically shows a TDR sensor 10, which is mounted as a level sensor in a tank or container 12 with a liquid or generally a medium 14. Above the medium 14 is a second medium 16, for example foam in different consistency, or an oil layer as the second medium 16 on water as the actual medium 14. The relative permittivity or relative dielectric constant ε r 2 in the second medium corresponds neither to air nor to the medium 14 and may vary within the second medium 16 at different elevations.

Das Medium 14 bildet gegenüber dem zweiten Medium 16 eine erste Grenzfläche 18 beziehungsweise einen ersten Grenzübergang und das zweite Medium 16 eine zweite Grenzfläche 20 gegenüber der oberhalb befindlichen Luft. Der Sensor 10 ist dafür ausgebildet, die Entfernung zumindest zu einer der Grenzflächen 20, 22 zu ermitteln und daraus aus seiner bekannten Anbringungslage den Füllstand und bei Bedarf anhand der Geometrie des Behälters 12 auch die Menge des Mediums 14 beziehungsweise des zweiten Mediums 16 abzuleiten. Das grundsätzliche Vorgehen entspricht dabei dem einleitend beschriebenen und an sich bekannten TDR-Verfahren, unterscheidet sich jedoch in der noch zu erläuternden verbesserten Auswertung. Obwohl die Ausbildung des Sensors 10 als Füllstandssensor für Flüssigkeiten ein sehr wichtiges Einsatzfeld ist, kann der Sensor 10 prinzipiell auch für andere Medien eingesetzt werden. Dabei ist insbesondere an Schüttgut oder Granulate zu denken.The medium 14 forms a first boundary surface 18 or a first boundary junction with respect to the second medium 16, and the second medium 16 forms a second boundary surface 20 with respect to the air located above. The sensor 10 is designed to determine the distance to at least one of the interfaces 20, 22 and to derive from its known mounting position the level and if necessary based on the geometry of the container 12 and the amount of the medium 14 and the second medium 16. The basic procedure corresponds to the initially described and known TDR method, but differs in the still to be explained improved evaluation. Although the design of the sensor 10 as a liquid level sensor is a very important field of application, the sensor 10 can in principle also be used for other media. In particular, bulk or granules are to be considered.

Der Sensor 10 weist einen Sensorkopf 24 mit einer Steuerung 26 auf, die vorzugsweise auf einer gemeinsamen Platine untergebracht ist. Alternativ sind mehrere über Stecker verbundene Leiterplatten oder Flexprintträger denkbar. An die Steuerung 24 ist eine Sonde 28 angeschlossen, die hier als offene Monosonde ausgebildet ist und so unter anderem den Vorteil hat, dass sie für Anwendungen im Hygienebereich leicht gereinigt werden kann. Die Sonde 28 kann aber auch eine Koaxialsonde sein.The sensor 10 has a sensor head 24 with a controller 26, which is preferably accommodated on a common board. Alternatively, several circuit boards or flexprint carriers connected via plugs are conceivable. To the controller 24, a probe 28 is connected, which is designed here as an open monoprobe and so among other has the advantage that it can be easily cleaned for applications in the field of hygiene. The probe 28 may also be a coaxial probe.

Die in dem Sensorkopf 24 vorgesehene Steuerung 26 beziehungsweise ihre Platine ist in Figur 2 in einem Blockschaltbild dargestellt. Die eigentliche Steuer- und Auswertungseinheit 30 ist auf einem digitalen Bausstein implementiert, beispielsweise ein Mikroprozessor, ASIC, FPGA oder ein ähnlicher digitaler Logikbaustein sowie eine Kombination mehrerer derartiger Bausteine. Wie auch schon einleitend beschrieben, wird bei einer Messung ein Signal, vorzugsweise ein Puls über einen Mikrowellensender 32 auf die Sonde 28 gegeben und die Laufzeit des an einer Grenzfläche 18, 20 entstehenden und in einem Mikrowellenempfänger 34 empfangenen Reflexpulses gemessen, um den Abstand der Grenzfläche 18, 20 und damit den Füllstand in dem Behälter 12 zu ermitteln. Das Empfangssignal des Mikrowellenempfängers 34 wird für die Auswertung nach Verstärkung in einem Verstärker 36 mit einem Digital/Analogwandler 38 digitalisiert.The provided in the sensor head 24 controller 26 and its board is in FIG. 2 shown in a block diagram. The actual control and evaluation unit 30 is implemented on a digital building block, for example a microprocessor, ASIC, FPGA or a similar digital logic device as well as a combination of several such devices. As already described in the introduction, during a measurement, a signal, preferably a pulse, is applied to the probe 28 via a microwave transmitter 32 and the transit time of the reflex pulse generated at an interface 18, 20 and received in a microwave receiver 34 is measured by the distance of the interface 18, 20 and thus to determine the level in the container 12. The received signal of the microwave receiver 34 is digitized for evaluation after amplification in an amplifier 36 with a digital / analog converter 38.

Figur 3 zeigt zur Illustration einen schematischen Signalverlauf mit gut getrennten Messpulsen 40, 42 an den Grenzflächen 18, 20. In einem solchen Signalverlauf könnten herkömmliche Auswertungen die Messpulse 40, 42 ohne Weiteres lokalisieren. Schwierigkeiten entstehen dann, wenn die Messpulse 40, 42 ineinander laufen. Bisher unlösbar wird das Problem, Messpulse 40, 42 zu identifizieren, wenn das zweite Medium 16 in sich inhomogen ist und somit eine Vielzahl sich überlagernder Pulse unbekannter Anzahl erzeugt. FIG. 3 shows for illustrative purposes a schematic signal course with well separated measuring pulses 40, 42 at the interfaces 18, 20. In such a signal curve, conventional evaluations could easily locate the measuring pulses 40, 42. Difficulties arise when the measuring pulses 40, 42 run into each other. Until now, the problem of detecting measuring pulses 40, 42 becomes inextricable when the second medium 16 is inherently inhomogeneous and thus generates a multiplicity of overlapping pulses of unknown number.

Der Signalverlauf enthält noch weitere Pulse, nämlich einen Übergangspuls 44 am Sondenanfang im Übergang zwischen Sensorkopf 24 und Sonde 28 sowie den Sendepuls 46 selbst. Weiter rechts und nicht mehr dargestellt entsteht noch ein Artefaktpuls am Sondenende, wo die nach den Reflexionen an den Grenzflächen 18, 20 verbleibende Restenergie des Sendesignals reflektiert wird.The signal curve also contains further pulses, namely a transition pulse 44 at the beginning of the probe in the transition between the sensor head 24 and the probe 28 and the transmit pulse 46 itself. Further to the right and no longer shown, an artifact pulse is still generated at the end of the probe where, after the reflections at the interfaces 18, 20 remaining residual energy of the transmission signal is reflected.

Um erfindungsgemäß Füllstände der Medien 14, 16 auch im allgemeinen Fall bei nicht mehr identifizierbaren Messpulsen 40, 42 bestimmen zu können, wird der nachfolgend beschriebene Ansatz verfolgt:In order to be able to determine fill levels of the media 14, 16 according to the invention even in the case of measurement pulses 40, 42 which are no longer identifiable, the approach described below is followed:

Die Amplituden der Reflexionen in dem Signalverlauf sind ein Maß für die Impedanzänderung in dem Behälter 12 und damit auch ein Maß für die Änderung der relativen elektrischen Dielektrizitätskonstanten an einer jeweiligen Grenzschicht 18, 20. Die Höhe eines Pulses in dem Signalverlauf hängt von dieser Änderung der Dielektrizitätskonstanten und der durch bereits oberhalb erfolgte Reflexionen verlorengegangenen Signalenergie ab. Die Form des jeweiligen reflektierten Pulses bleibt erhalten, die Pulse unterscheiden sich nur in ihrer Höhe.The amplitudes of the reflections in the signal path are a measure of the impedance change in the container 12 and thus also a measure of the change in the relative dielectric constants at a respective boundary layer 18, 20. The magnitude of a pulse in the signal curve depends on this change in the dielectric constant and the signal energy lost due to reflections already made above. The shape of the respective reflected pulse is retained, the pulses differ only in their height.

Damit kann der Signalverlauf S als lineare Überlagerung der Pulsform s(t) mit lediglich unterschiedlichen Skalierungen durch die Höhen an und unterschiedlichen zeitlichen Positionen tn der n Pulse angesehen werden: S = i = 1 n s t t n a n .

Figure imgb0001
Thus, the signal curve S can be regarded as a linear superimposition of the pulse shape s ( t ) with only different scalings by the altitudes a n and different temporal positions t n of the n pulses: S = Σ i = 1 n s t - t n a n ,
Figure imgb0001

Die konstante Pulsform s(t) bedeutet auch, dass sich ein Integral über den Signalverlauf S aus über die Höhen skalierten Integralen über diese Pulsform s(t) zusammensetzt: a n s τ t n = a n s τ t n .

Figure imgb0002
The constant pulse shape s ( t ) also means that an integral over the signal curve S is composed of summands scaled integrals over this pulse shape s ( t ): a n s τ - t n = a n s τ - t n ,
Figure imgb0002

Sowohl der Signalverlauf S selbst als auch dessen Amplituden, damit auch für das Integral I(t) über den Signalverlauf, sind jeweils Funktionen der Dielektrizitätskonstanten εr . Dabei gilt ferner I t = 0 t S τ = 0 t i = 1 N s t t n a n .

Figure imgb0003
Both the signal curve S itself and its amplitudes, and thus also for the integral I ( t ) via the signal curve, are in each case functions of the dielectric constant ε r . It also applies I t = 0 t S τ = 0 t Σ i = 1 N s t - t n a n ,
Figure imgb0003

Wie Figur 3 illustriert, unterscheiden sich die Signalausbreitungsgeschwindigkeiten c der elektrischen Welle in den verschiedenen Schichten, und zwar in Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstanten εr . Während in Luft mit praktisch εr =1 die Vakuumlichtgeschwindigkeit c 0 angenommen werden kann, verzögert sich innerhalb der Medien 14, 16 die Geschwindigkeit um 1 ε r .

Figure imgb0004
Demnach ist der zu einem Zeitschritt ΔT der Signallaufzeit, beispielsweise einer Abtastperiode des A/D-Wandlers 38, äquivalente Weg bei Dielektrizitätskonstanten ε r1, ε r2 des ersten Mediums 14 beziehungsweise des zweiten Mediums 16

  • für Luft: c 0ΔT
  • für das erste Medium 14: c 0 Δ T ε r 1
    Figure imgb0005
    und
  • für das zweite Medium 16: c 0 Δ T ε r 2 .
    Figure imgb0006
As FIG. 3 illustrated, the signal propagation velocities c of the electric wave in the different layers differ, depending on the dielectric constant ε r . While in air with practically ε r = 1 the vacuum light velocity c 0 can be assumed, within the media 14, 16 the velocity is delayed 1 ε r ,
Figure imgb0004
Accordingly, the time step to a Δ T of the signal propagation time, for example, a sampling period of the A / D converter 38, equivalent way in dielectric constant is ε r 1, r 2 ε of the first medium 14 and second medium 16
  • air: c 0 Δ T
  • for the first medium 14: c 0 Δ T ε r 1
    Figure imgb0005
    and
  • for the second medium 16: c 0 Δ T ε r 2 ,
    Figure imgb0006

Dies sollte vorzugsweise bei der Auswertung durch eine entsprechende Zeitanpassung berücksichtigt werden, weil sonst die Abstände der Grenzflächen 18, 20 systematisch überschätzt werden. Die Dielektrizitätskonstanten sind aber entweder mangels Kenntnis über die Medien 14, 16 oder beispielsweise im Falle eines inhomogenen Schaums mit über die Höhe variierender Dichte sogar prinzipiell vorab nicht bekannt.This should preferably be taken into account in the evaluation by a corresponding time adjustment, because otherwise the distances of the interfaces 18, 20 are systematically overestimated. However, the dielectric constants are either lacking knowledge via the media 14, 16 or, for example, in the case of an inhomogeneous foam with density varying over the height, in principle not known in advance in advance.

Sofern sich wie in einer Situation gemäß Figur 3 die Amplitude A 1 des Messpulses 40 von dem ersten Medium 14 bestimmen lässt, kann die zugehörige Dielektrizitätskonstante ε r1 berechnet werden. In einem Vorgehen, das die einleitend zitierte DE 10 2012 101 725 näher erläutert, auf die hierzu ergänzend verwiesen wird, bestimmt man zunächst eine Referenzamplitude Aend des Artefaktpulses vom Sondenende. Dadurch können Effekte der Geometrie des Behälters 12 und sonstigen Signalveränderungen berücksichtigt werden. Die Referenzamplitude Aend wird beispielsweise berechnet, simuliert oder durch eine auch wiederholte Kalibrationsmessung im leeren Zustand des Behälters 12 bestimmt. Es gilt dann ε r 1 = A end A 1 A end + A 1 .

Figure imgb0007
If, as in a situation according to FIG. 3 If the amplitude A 1 of the measuring pulse 40 can be determined by the first medium 14, the associated dielectric constant ε r 1 can be calculated. In a procedure quoted in the introduction DE 10 2012 101 725 explained in more detail, to which reference is made for this purpose, one first determines a reference amplitude A end of the artifact pulse from the end of the probe. As a result, effects of the geometry of the container 12 and other signal changes can be taken into account. The reference amplitude A end is for example calculated, simulated or determined by a repeated calibration measurement in the empty state of the container 12. It then applies ε r 1 = A end - A 1 A end + A 1 ,
Figure imgb0007

Wie alle Pulse erfüllt auch der Artefaktpuls die Beziehung A end s end t dt = A end s end t dt ,

Figure imgb0008
so dass insbesondere die Amplitude Aend des Artefaktpulses zu dessen Fläche proportional ist.Like all pulses, the artifact pulse also satisfies the relationship A end s end t dt = A end s end t dt .
Figure imgb0008
so that in particular the amplitude A end of the artifact pulse is proportional to its area.

Aus einem kontinuierlichen Übergang der Wellenimpedanz innerhalb des zweiten Mediums 16 von der Wellenimpedanz der Luft zu der Wellenimpedanz des ersten Mediums 14 resultiert eine Vielzahl sich überlagernder Pulse. Eine Einzelpulsauswertung wie in Figur 3 ist dann nicht mehr möglich, ebenso wenig wie ε r1 aus A 1 und Aend berechnet werden kann.A continuous transition of the wave impedance within the second medium 16 from the wave impedance of the air to the wave impedance of the first medium 14 results in a multiplicity of overlapping pulses. A single pulse evaluation as in FIG. 3 is then no longer possible, just as ε r 1 can not be calculated from A 1 and A end .

Möglich ist aber eine Auswertung von Integralen über den Signalverlauf S und entsprechender Integrale über den Artefaktpuls oder weiterer Integrale, die man als Parameter in kontrollierter Situation beispielsweise bei leerem Behälter oder bei einem Behälter ohne zweites Medium 16 bestimmt. Man trennt also den Signalverlauf S gar nicht mehr in diskrete Pulse, sondern unterstellt in jedem Punkt eine hypothetische oder tatsächliche Reflexion wegen einer Änderung der Dielektrizitätskonstanten. Dann wird die Stelle in dem Signalverlauf S lokalisiert, an dem so viel Signalenergie reflektiert wurde, wie in einer Vergleichssituation ohne zweites Medium 16, und diese Stelle wird als die erste Grenzfläche 18 erkannt. Um deren Abstand richtig zu bestimmen, sollte vorzugsweise bei der Umrechnung der Signallaufzeit in einen Weg die Verzögerung durch das zweite Medium 16 berücksichtigt werden.However, it is possible to evaluate integrals via the signal curve S and corresponding integrals via the artifact pulse or further integrals, which are determined as parameters in a controlled situation, for example when the container is empty or in the case of a container without a second medium 16. Thus, one no longer separates the signal curve S into discrete pulses, but assumes a hypothetical or actual reflection at each point because of a change in the dielectric constant. Then the location in the waveform S is located where as much signal energy has been reflected as in a comparison situation without the second medium 16, and this location is recognized as the first interface 18. In order to correctly determine their distance, the delay through the second medium 16 should preferably be taken into account when converting the signal propagation time into a path.

Dieses Vorgehen setzt eine vereinfachende Annahme voraus, wobei sich aber in praktischen Messungen zeigt, dass trotz dieser Vereinfachung gute Messergebnisse erhalten werden. Es wird nämlich angenommen, dass die ausgesandte Signalenergie, die an der ersten Grenzfläche 18 ankommt, unabhängig von dem Verlauf der Impedanzänderungen oberhalb der ersten Grenzfläche 18 ist. Es wird also der gleiche Energieverlust des Signals durch vorhergehende Reflexionen unterstellt, egal in welcher Weise sich die Dielektrizitätskonstante von 1 in der oberen Luftschicht zu ε r1 an der ersten Grenzfläche 18 ändert, ob also beispielsweise in einem Sprung direkt an der ersten Grenzfläche 18, zwischen der zweiten Grenzfläche 20 und der ersten Grenzfläche 18 monoton anwachsend wie bei einem immer dichter werdenden Schaum oder mit jedem beliebigen anderen Verhalten. Die gegen diese Näherung robusten Messungen lassen vermuten, dass besonders pathologische Verläufe praktisch nicht auftreten.This procedure presupposes a simplifying assumption, although it is shown in practical measurements that, despite this simplification, good measurement results are obtained. It is namely assumed that the emitted signal energy arriving at the first interface 18 is independent of the course of the impedance changes above the first interface 18. It is assumed that the same energy loss of the signal by previous reflections, no matter in which way the dielectric constant of 1 in the upper air layer to ε r 1 at the first interface 18 changes, so if for example in a jump directly to the first interface 18, growing monotonically between the second interface 20 and the first interface 18 as with an increasingly dense foam or with any other behavior. The robust measurements against this approximation suggest that pathological processes are practically non-existent.

Diese allgemeinen Überlegungen können beispielhaft in einem konkreten Algorithmus illustriert werden. Die Erfindung soll aber dadurch nicht auf diesen Algorithmus beschränkt werden, sondern umfasst auch andere Umsetzungen des soeben geschilderten Vorgehens.These general considerations can be illustrated by way of example in a concrete algorithm. However, the invention should not be limited to this algorithm, but also includes other implementations of the just described approach.

Vorbereitend wird in einem ersten Schritt in Analogie zu der DE 10 2012 101 725 der Artefaktpuls vom Sondenende bei leerem Behälter 12 vermessen, um die Umgebungseinflüsse der konkreten Einbausituation des TDR-Sensors 10 zu erfassen. Allerdings wird entsprechend der hier vorgestellten Integralmethode nicht dessen Amplitude bestimmt, sondern das Integral Iend über den Signalverlauf S im Bereich des Artefaktpulses gebildet, wobei hier aber wie oben dargelegt eine Proprotionalitätsbeziehung besteht.The first step will be to prepare in analogy to the DE 10 2012 101 725 measure the artifact pulse from the probe end when the container 12 is empty in order to detect the environmental influences of the specific installation situation of the TDR sensor 10. However, according to the integral method presented here, its amplitude is not determined, but the integral I end is formed over the signal curve S in the region of the artifact pulse, but here, as stated above, there is a proportionality relationship.

In einem zweiten vorbereitenden Schritt wird der Behälter 12 nur mit dem ersten Medium 14 befüllt und darauf geachtet, dass sich auch kein Schaum als zweites Medium 16 bildet beziehungsweise dieser sich aufgelöst hat. In dieser kontrollierten Umgebung ist sichergestellt, dass ein klar erkennbarer Messpuls 40 oder Mediumpuls an der ersten Grenzfläche 18 erzeugt wird. Über den Messpuls 40 wird dann das Integral IMedium gebildet. Diese Vermessung erfolgt in erster Linie, um die unterschiedlichen Einflüsse der Dielektrizitätskonstanten ε r1 des ersten Mediums 14 zu kompensieren und könnte daher alternativ durch eine Vorgabe oder unabhängige Messung der Dielektrizitätskonstanten ε r1 ersetzt werden, beispielsweise durch anschließende Berechnung von IMedium anhand der bekannten Pulsform s(t).In a second preparatory step, the container 12 is filled only with the first medium 14 and ensured that no foam as a second medium 16 is formed or this has dissolved. In this controlled environment is ensures that a clearly detectable measuring pulse 40 or medium pulse is generated at the first interface 18. About the measuring pulse 40 then the integral I medium is formed. This measurement is carried out primarily to compensate for the different influences of the dielectric constant ε r 1 of the first medium 14 and therefore could alternatively be replaced by a default or independent measurement of the dielectric constant ε r 1 , for example by subsequent calculation of I medium on the basis of the known Pulse shape s ( t ).

Während der eigentlichen Messung wird dann der Signalverlauf S von einem Anfangswert t 0, beispielsweise entsprechend dem Sondenanfang oder einem gewählten höchstmöglichen Füllstand, bis zu einem jeweils betrachteten Zeitpunkt t aufintegriert. Es wird also ein aufintegrierter Signalverlauf I S t = 0 t S τ

Figure imgb0009
gebildet, der eine Funktion des jeweils betrachteten Zeitpunkts t ist.During the actual measurement, the signal curve S is then integrated from an initial value t 0 , for example corresponding to the start of the probe or a selected highest possible fill level, up to a respectively considered time t . So it becomes an integrated waveform I S t = 0 t S τ
Figure imgb0009
formed, which is a function of the respective time t considered.

Die Position der Grenzfläche 18 wird dann durch Vergleich des aufintegrierten Signalverlauf IS mit der Referenz IMedium gefunden. Dazu wird beispielsweise bestimmt, für welches t IS (t)=K·IMedium gilt, wobei K ein Skalierungsfaktor ist. Wird K in der nähe von Eins gewählt, so entspricht t der Position der ersten Grenzfläche 18. Bei einer Wahl von K nur etwas oberhalb Null dagegen wird die Position der zweiten Grenzfläche 20 gefunden. Eine Kombination ermöglicht zusätzlich, die Schichtdicke des zweiten Mediums 17 zu messen.The position of the interface 18 is then found by comparing the integrated waveform I S with the reference I medium . For this purpose, it is determined, for example, for which t I S ( t ) = K × I medium , where K is a scaling factor. If K is chosen near unity, then t corresponds to the position of the first boundary surface 18. If K is selected only slightly above zero, the position of the second boundary surface 20 is found. A combination additionally makes it possible to measure the layer thickness of the second medium 17.

Das aufgefundene t entspricht nun aber einer Signallaufzeit, die sich aus Beiträgen von Signalwegen in Luft, im zweiten Medium 16 und eventuell auch noch Anteilen im ersten Medium 14 zusammensetzt. Daher werden Füllstände systematisch unterschätzt, wenn nicht der äquivalente Weg durch Zeitanpassung anhand der unterschiedlichen Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten korrigiert wird. Eine solche Zeitanpassung ist unter Verwendung des aufintegrierten Signalverlaufs IS möglich und wird noch genauer, wenn zusätzlich die Umgebungseinflüsse beispielsweise durch Iend berücksichtigt werden. Konkret kann die Zeitanpassung dann in Analogie der oben zitierten Rechenvorschrift ε r 1 = A end A 1 A end + A 1

Figure imgb0010
anhand des Terms I end I S I end + I S
Figure imgb0011
erfolgen.The found t now corresponds to a signal transit time, which is composed of contributions of signal paths in air, in the second medium 16 and possibly also portions in the first medium 14. Therefore, levels are systematically underestimated unless the equivalent path is corrected by time adjustment based on the different wave propagation velocities. Such a time adaptation is possible using the integrated signal waveform I S and becomes even more accurate if, in addition, the environmental influences are taken into account, for example, by I end . Specifically, the time adjustment then in analogy to the above-cited calculation rule ε r 1 = A end - A 1 A end + A 1
Figure imgb0010
based on the term I end - I S I end + I S
Figure imgb0011
respectively.

In der praktischen Umsetzung liegt der Signalverlauf S typischerweise als Zeitreihe S[i] von diskreten Abtastungen vor. Deshalb bietet sich in einer bevorzugten Ausführungsform an, die Auswertungen iterativ vorzunehmen und den aufintegrierten Signalverlauf IS sowie die Zeitanpassung schrittweise zu berechnen. Dazu werden anfänglich alle Werte mit Null initialisiert und dann beginnend vom Anfang des Messbereichs bei t 0 schrittweise für die nachfolgenden Abtastungen iterativ angepasst. Als Abbruchkriterium dient, wenn IS einen aus dem Referenzwert IMedium abgeleiteten Schwellwert K·IMedium erreicht.In practical implementation, the signal curve S is typically present as a time series S [ i ] of discrete samples. Therefore, in a preferred embodiment, it is advisable to perform the evaluations iteratively and to calculate the integrated signal waveform I S and the time adaptation step by step. For this purpose, initially all values are initialized to zero and then, starting from the beginning of the measuring range at t 0, iteratively adjusted step by step for the subsequent scans. The termination criterion is when I S reaches a threshold K · I medium derived from the reference value I medium .

In Pseudocode lässt sich dann eine beispielhafte iterative Auswertung wie folgt darstellen:

Figure imgb0012
In Pseudocode an exemplary iterative evaluation can then be represented as follows:
Figure imgb0012

Dabei ist zu beachten, dass Iend wie der Artefaktpuls selbst negativ ist. Außerdem sollte der Korrekturwert für die Zeitanpassung I end + I S I end I S

Figure imgb0013
vorzugsweise darauf geprüft werden, ob er im Intervall [0,1 ...1] liegt, da er sonst unplausibel wäre.It should be noted that I end as the artifact pulse itself is negative. In addition, the correction value for the time adjustment should I end + I S I end - I S
Figure imgb0013
preferably be checked whether it is in the interval [0,1 ... 1], otherwise it would be implausible.

Das Ergebnis ist die bereits um die unterschiedlichen Signalausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien 14, 16 korrigierte Signallaufzeit t, deren Einheit Abtastschritte sind. Die Abtastrate ist bekannt, so dass dies unmittelbar in eine absolute Laufzeit und mittels der Vakuumlichtgeschwindigkeit c 0 auch in einen Abstand umgerechnet werden kann. Vorteilhafterweise wird vorab die Konstante berechnet, die diese Umrechung von Signallaufzeit in Abtastschritten in einen Abstand durch einfache Multiplikation leistet.The result is the signal propagation time t , already corrected for the different signal propagation velocities in the media 14, 16, the units of which are sampling steps. The sampling rate is known, so that this can be directly converted into an absolute runtime and by means of the vacuum light speed c 0 in a distance. Advantageously, the constant is calculated beforehand, which makes this conversion of signal propagation time in sampling steps in a distance by simple multiplication.

Insbesondere wenn das zweite Medium 16 Schaum ist, kann sich noch eine Sondersituation ergeben. Es ist nämlich denkbar, dass die Dielektrizitätskonstante mit zunehmendem Abstand nicht monoton ansteigt, sondern sich auch Impedanzsprünge mit umgekehrtem Vorzeichen ergeben. Dies geschieht beispielsweise dann, wenn eine dichtere Schaumschicht auf einer dünneren Schaumschicht aufliegt oder sich Luftblasen bilden. Das Resultat sind reflektierte Pulse mit umgekehrtem Vorzeichen beziehungsweise negative Werte im Signalverlauf S. Dies führt dazu, dass IS trotz zunehmender Eindringtiefe des Signals vorübergehend abnimmt. Damit wird der Abstand der Grenzfläche 18 überschätzt, schlimmstenfalls sogar die Schwelle K·IMedium nie erreicht. Die Energie, die zurückreflektiert wird, bis sich die Welle im Medium 14 befindet, ist jedoch näherungsweise unabhängig von den einzelnen Stufen der Impedanzänderungen darüber. Deshalb sollte die Abbruchbedingung vorzugsweise statt auf dem vorzeichenbehafteten Signalverlauf S auf dessen Absolutbetrag oder Quadrat beruhen. Dazu wird ein zweites Integral IStop eingeführt, das über den Absolutbetrag oder in ganz analoger Weise das Quadrat oder ein ähnliches geeignetes Moment aufsummiert.In particular, when the second medium 16 is foam, a special situation may still arise. It is conceivable that the dielectric constant does not increase monotonically with increasing distance, but also results in impedance jumps with the opposite sign. This happens, for example, when a denser foam layer rests on a thinner foam layer or air bubbles form. The result is reflected pulses with opposite signs or negative values in the signal curve S. As a result, I S temporarily decreases despite the increasing penetration depth of the signal. Thus, the distance of the interface 18 is overestimated, in the worst case even the threshold K · I medium never reached. However, the energy reflected back until the wave is in the medium 14 is approximately independent of the individual stages of impedance changes above it. Therefore, the termination condition should preferably be based on its absolute value or square instead of on the signed waveform S. For this purpose, a second integral I stop is introduced, which sums up the absolute value or in a very analogous manner the square or a similar suitable moment.

Es ergibt sich dann eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Auswertung, die sich in diesem Pseudocode zusammenfassen lässt:

Figure imgb0014
This results in a further preferred embodiment of the evaluation, which can be summarized in this pseudocode:
Figure imgb0014

In dem Pseudocode erfolgt die Integration jeweils auf einfachste Weise durch Aufsummieren der Werte des Signalverlaufs S. Die Erfindung umfasst ebenso andere Verfahren der numerischen Integration. Ähnlich ist auch die konkrete Formel für die Zeitanpassung austauschbar. Dabei wird zwar vorzugsweise ebenfalls der aufintegrierte Signalverlauf verwendet, denn dieser berücksichtigt die oberhalb des im jeweiligen Iterationsschritt betrachteten Zeitpunkts durch Reflexion verlorengegangene Signalenergie. Die Umgebungseinflüsse können aber auch anders als über den Artefaktpuls durch IEnd berücksichtigt werden, insbesondere indem ein anderer Puls wie der Übergangspuls 44 oder sonstige Informationen aus dem Signalverlauf S herangezogen werden.In the pseudocode, the integration is carried out in the simplest way by adding up the values of the signal curve S. The invention also includes other methods of numerical integration. Similarly, the concrete formula for the Time adjustment interchangeable. In this case, the integrated signal course is preferably also used, because this takes into account the signal energy lost above the time point considered in the respective iteration step by reflection. However, the environmental influences can also be taken into account differently than via the artifact pulse by I End , in particular by using a different pulse such as the transition pulse 44 or other information from the signal curve S.

Vorbereitend kann der Signalverlauf S noch auf verschiedene Arten korrigiert werden. So kann eine Reskalierung zur Kompensation von Driften, insbesondere eine Temperaturkompensation erfolgen, beispielsweise indem der Übergangspuls 44 am Sondenanfang oder der Sendepuls 46 mit einer Referenz verglichen wird, um die Drifteinflüsse zu schätzen.In preparation, the waveform S can still be corrected in various ways. Thus, a rescaling to compensate drifts, in particular a temperature compensation, for example, by the transition pulse 44 at the start of the probe or the transmission pulse 46 is compared with a reference to estimate the drift influences.

Eine weitere Kompensationsmöglichkeit besteht darin, den Signalverlauf um eine Amplitudenkennlinie zu korrigieren. Denn der Signalverlauf S ist für kleine Zeiten entsprechend dem oberen Bereich des Behälters überhöht, weil Mehrfachreflexionen zwischen Sondenanfang und Grenzfläche 18, 20 auftreten. Dieser Einfluss lässt sich vorab bestimmen und in positions- beziehungsweise zeitabhängige Überhöhungsfaktoren ausdrücken, die dann durch die Amplitudenkennlinie ausgeglichen werden. Auch dies ist in der DE 10 2012 101 725 näher erläutert, auf die ergänzend verwiesen wird.Another way of compensating is to correct the waveform by an amplitude characteristic. Because the waveform S is excessive for small times corresponding to the upper portion of the container, because multiple reflections between the probe start and interface 18, 20 occur. This influence can be determined in advance and expressed in position- or time-dependent superelevation factors, which are then compensated by the amplitude characteristic. This too is in the DE 10 2012 101 725 explained in more detail, to which reference is made.

Abschließend soll die Erfindung gemäß den Figuren 4 bis 7 am Beispiel verschiedener Schaumschichten als Medium 16 illustriert werden.Finally, the invention according to the FIGS. 4 to 7 be illustrated as a medium 16 using the example of various foam layers.

Figur 4 zeigt im oberen Teil den Signalverlauf S mit Kennzeichnung des als Grenzübergang 18 zu dem ersten Medium 14 erkannten Zeitpunkts in einem Beispiel eines Behälters 12 mit einer Flüssigkeit als erstem Medium 14 und einer darüber angeordneten dicken Schaumschicht als zweitem Medium 16. FIG. 4 shows in the upper part of the waveform S with marking of the border crossing 18 detected to the first medium 14 time point, in one example of a container 12 with a liquid as the first medium 14 and an overlying thick foam layer as the second medium sixteenth

Dazu ist zunächst zu beachten, dass der höhere Kurvenzug in einem ersten Schritt wie soeben beschrieben mit einer Amplitudenkennlinie korrigiert wurde, um eine anfängliche Signalüberhöhung durch Mehrfachreflexionen auszugleichen. Der tatsächlich der Auswertung zugrunde gelegte Signalverlauf S ist also die niedrigere Kurve, in der auch mit grau die als integrierter Signalverlauf IS ausgemessene Fläche hervorgehoben ist. Bei dem senkrechten Strich ungefähr an der 70sten Abtastung wurde die erste Grenzfläche 18 erkannt.It should first be noted that in a first step, as described above, the higher curve has been corrected with an amplitude characteristic to compensate for an initial signal increase due to multiple reflections. The signal curve S which is actually the basis of the evaluation is therefore the lower curve, in which the gray area measured as integrated signal curve I S is also highlighted is. At the vertical stroke approximately at the 70th scan, the first interface 18 was detected.

Im mittleren Teil zeigt die Figur 4 den bis zum jeweiligen Abtastpunkt integrierten Signalverlauf IS , der die graue Fläche unter dem Signalverlauf S des oberen Teils von Figur 4 schrittweise aufintegriert. Etwa bei der 70sten Abtastung entsprechend der Position des senkrechten Striches im oberen Teil der Figur 4 wird von dem integrierten Signalverlauf IS eine als dünne graue Linie gezeigte Schwelle überschritten, woran die Auswertung die erste Grenzfläche 18 erkennt. Diese Schwelle liegt in mehreren Ausführungsformen bei K·IMedium . Die gestrichelte Linie entspricht der gesamten Energie des Sendepulses und kann frühestens am Sondenende überschritten werdenIn the middle part shows the FIG. 4 the integrated to the respective sampling point waveform I S , the gray area under the waveform S of the upper part of FIG. 4 gradually integrated. Approximately at the 70th scan corresponding to the position of the vertical bar in the upper part of the FIG. 4 is exceeded by the integrated waveform I S a threshold shown as a thin gray line, whereupon the evaluation detects the first interface 18. This threshold is in several embodiments in K · I medium . The dashed line corresponds to the total energy of the transmission pulse and can be exceeded at the earliest at the end of the probe

Im unteren Teil illustriert Figur 4 die Zeitanpassung. Die gestrichelte Linie entspricht der ungestörten Wellenausbreitung in Luft mit maximaler Geschwindigkeit c 0. Durch den Korrekturfaktor I end + I S I end I S

Figure imgb0015
wächst die für die äquivalente Wegeausbreitung benötigte angepasste Zeit langsamer an, wie mit durchgezogener Linie gezeigt. Dem Abtastwert, der dem Abbruchkriterium entspricht, der in Figur 4 etwa beim 70sten Abtastwert liegt, kann die angepasste Signallaufzeit bis zu der ersten Grenzfläche 18 abgelesen werden und in einen Füllstand umgerechnet werden.Illustrated in the lower part FIG. 4 the time adjustment. The dashed line corresponds to the undisturbed wave propagation in air at maximum speed c 0 . By the correction factor I end + I S I end - I S
Figure imgb0015
The adjusted time required for the equivalent path propagation increases more slowly, as shown by a solid line. The sample corresponding to the abort criterion, which in FIG. 4 is about the 70th sample, the adjusted signal propagation time can be read to the first interface 18 and converted into a level.

Figur 5 zeigt ganz analog ein weiteres Beispiel eines Behälters 12 mit einer Flüssigkeit als erstem Medium 14 und einer darüber angeordneten dünneren Schaumschicht als zweites Medium 16, deren Dichte kontinuierlich zunimmt. FIG. 5 shows quite another example of a container 12 with a liquid as the first medium 14 and a thinner foam layer arranged above it as the second medium 16, whose density increases continuously.

In dem Beispiel der Figur 6 hat die Schaumschicht nochmals eine andere Konsistenz und Dicke.In the example of FIG. 6 the foam layer again has a different consistency and thickness.

Figur 7 zeigt einen Fall, in dem sich nur Schaum als einziges Medium 14, 16 in dem Behälter 12 befindet. Die Schwelle wird hier erst sehr weit hinten überschritten, je nach Einstellung von K erst für Werte, die einem negativen Füllstand entsprechen würden und daher den Schluss erlauben, dass kein Medium 14 in dem Behälter 12 vorhanden ist. Ein herkömmlicher Algorithmus hätte den ausgeprägten ersten Puls oder einen der beiden Tochterpulse erkannt und den entsprechenden, viel zu hohen Füllstand trotz an sich außer dem Schaum leerem Behälter ausgegeben. FIG. 7 shows a case in which only foam is the only medium 14, 16 in the container 12. The threshold is exceeded here only very far back, depending on the setting of K only for values that would correspond to a negative level and therefore allow the conclusion that no medium 14 is present in the container 12. A conventional algorithm would have recognized the pronounced first pulse or one of the two daughter pulses and output the corresponding much too high level, despite the fact that the container was empty except for the foam.

Soll der Füllstand des zweiten Mediums 16 bestimmt werden, so kann dies nach obigem durch Wahl eines K nahe bei Null erreicht werden. Alternativ ist die zweite Grenzfläche 20 aber auch daran zu erkennen, dass der integrierte Signalverlauf IS sich systematisch von Null unterscheidet. Dies ist jeweils im mittleren Teil der Figuren 4 bis 7 erkennbar. Zum gleichen Zeitpunkt weicht auch die angepasste Zeit in dem unteren Teil der Figuren 4 bis 7 erstmals systematisch von der Ursprungsgerade der nicht kompensierten Zeit ab. Mit systematischer Abweichung ist hier jeweils gemeint, dass eine geringfügige Abweichung allein aufgrund von Rauscheinflüssen noch nicht gewertet werden soll. Dies ist beispielsweise mit Hilfe eines Glättungsfilters unterscheidbar.If the fill level of the second medium 16 is to be determined, then this can be achieved by selecting a K close to zero according to the above. Alternatively, the second interface 20 is, however, also be seen that the integrated waveform I S systematically different from zero. This is in each case in the middle part of the FIGS. 4 to 7 recognizable. At the same time, the adjusted time in the lower part of the FIGS. 4 to 7 For the first time systematically from the line of origin of the uncompensated time. With systematic deviation, it is meant here that a slight deviation is not yet to be evaluated on the basis of noise influences alone. This can be distinguished, for example, with the aid of a smoothing filter.

Die Erfindung wurde für eine Füllstandsmessung eines Mediums 14 mit einer darüber befindlichen Schicht eines zweiten Mediums 16 beschrieben. Selbstverständlich wird aber mit demselben Vorgehen auch ein Füllstand eines Mediums gemessen, wenn sich darüber keine weitere Schicht befindet. Eine Verallgemeinerung des Verfahrens auf nicht geführte Wellen, also einen Sensor 10 ohne Sonde 28 wie einen Radarsensor, ist prinzipiell auch vorstellbar.The invention has been described for a level measurement of a medium 14 with an overlying layer of a second medium 16. Of course, however, with the same procedure, a level of a medium is measured when there is no further layer over it. A generalization of the method to non-guided waves, ie a sensor 10 without a probe 28 such as a radar sensor, is also conceivable in principle.

Claims (14)

  1. A method for filling level measurement in a container (12) having a first medium (14) and at least one second medium (16) arranged thereabove, in particular a foam layer, wherein an electromagnetic signal is transmitted, in particular along a probe (28) arranged in the container (12), and a signal curve (S) of the signal reflected in the container (12) is recorded; wherein a signal time of flight (t) up to a border transition (18, 20) to the first medium (14) or up to the second medium (16) is determined with reference to the signal curve (S ) and a filling level of the first medium (14) or a filling level of the second medium (16) is determined from the signal time of flight (t),
    characterized in that an integrated signal curve (Is (t)), the integral starting from a reference position (t 0), is formed as a function of a respective point in time (t), in that initially a reference value (IMedium ) for the integrated signal curve (IS (t)) is determined when the container (12) is filled with only the first medium (14), and in that the border transition (18, 20) is recognized by a comparison of the integral over the signal curve (IS (t)) with the reference value (IMedium ).
  2. The method in accordance with claim 1,
    wherein the reference position (t 0) is the probe start of a probe (28) arranged in the container (12).
  3. The method in accordance with claim 1 or 2,
    wherein the signal time of flight (t) is summed up from signal time of flight intervals which take account of a delay in the signal propagation at the probe position belonging to a respective signal time of flight interval by a correction with the integral over the signal curve (IS ) integrated up to this respective probe position, the probe position being the probe position of a probe (28) arranged in the container (12).
  4. The method in accordance with claim 3,
    wherein an environmental constant dependent on the specific wave propagation in the container (12) additionally enters into the correction.
  5. The method in accordance with claim 4,
    wherein the environmental constant is determined in a calibration measurement with an empty container (12), in which measurement an integral (Iend ) of the signal curve (S) is formed over a region of an artifact pulse arising at the probe end.
  6. The method in accordance with claim 5,
    wherein the signal curve (S) is integrated for a second time for the comparison, but, instead of the signal curve (S) itself, its absolute amount (|S| ) or the signal curve (S 2) squared point-wise is used as the basis for the second integration (IStop ).
  7. The method in accordance with claim 5,
    wherein the border transition (18, 20) is recognized in an iterative process which integrates the signal curve (S) in steps predefined by the sampling rate of the signal curve (S) from the reference position (t 0) onward up to an abort criterion, namely whether the signal curve (IS ) integrated up to the respective step (i) or a corresponding integral (IStop ) of the absolute amount (|S|) of the signal curve (S) or of the signal curve (S 2) squared point-wise exceeds the threshold value (K·IMedium ).
  8. The method in accordance with claim 7 and any of claims 3 or 4, wherein initially the signal time of flight (t) is set to zero and in every step (i) is increased by an increment I end + I S I end I S
    Figure imgb0017
    which is calculated as a quotient whose numerator is formed from the sum (Iend +IS ) from the environmental constant ( Iend ) and the integral over the signal curve (IS ) and whose denominator is formed from the difference (Iend -IS ) from the environmental constant (Iend ) and the integral over the signal curve (IS ).
  9. The method in accordance with any of claims 5 to 8,
    wherein the reference value (IMedium ) is formed as a threshold value integral of the signal curve (S)in a region of an echo signal (40) at the border transition (18) to the first medium (14).
  10. The method in accordance with claim 9,
    wherein a threshold value (K·IMedium ) is set to 90% to 110% of the threshold value integral (IMedium ) to recognize the border transition (18) to the first medium (14) and/or wherein the threshold value (K·IMedium ) is set to 5% to 30% of the threshold value integral (IMedium ) to recognize the border transition (20) to the second medium (16).
  11. The method in accordance with any of the preceding claims,
    wherein the border transition (20) to the second medium (16) is recognized in that the integral over the signal curve (IS ) differs systematically from zero from the border transition (20) onward.
  12. The method in accordance with any of the preceding claims,
    wherein the signal curve (S), the integral over the signal curve (Is ) and/or the threshold value (K·IMedium ) is scaled by a drift correction value.
  13. The method in accordance with any of the preceding claims,
    wherein the signal curve (S)is rescaled by an amplitude characteristic dependent on the filling level.
  14. A sensor (10), in particular a TDR filling level sensor, having a transmitter (32) and a receiver (34) for transmitting and receiving an electromagnetic signal, in particular a microwave signal, as well as having a control (30) which is configured to determine the filling level of a medium (14) and/or of a second medium (16) in a container (12) with reference to the signal time of flight, characterized in that the control (30) is configured to determine the filling level using a method according to any of the preceding claims.
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